JP6297938B2 - レーザ核融合用燃料容器の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ核融合用燃料容器の製造方法に関する。
従来、レーザ核融合の実験に用いる中空球状の燃料容器を構成する材料として、有機合成された有機ポリマーが用いられている。ここで、爆縮過程の制御、及び高い中性子発生率を得る観点からは、有機ポリマーの層は多層化されていることが望ましい。
有機ポリマーの層を多層化する方法としては、鋳型となる球状シェルを熱分解可能な材料で作製し、この表面に気相重合法で有機ポリマーを複数回コーティングする方法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。気相重合した後、鋳型を熱分解して除去すると、多層化された有機ポリマーからなる燃料容器が得られる。
GENERAL ATOMICS社パンフレット、"Inertial Fusion Technologies"、米国、２００９年、ｐ．１１−２３
しかしながら、上記製造方法では、燃料容器を一度に十数個程度しか製造することができないことに加え、燃料容器の表面に、気相重合法による層形成では避けることが困難なドーム状の突起が生じてしまう。燃料容器の表面に突起があると、爆縮の球対称性が妨げられるため、使用前に当該突起を研磨して除去する必要がある。また、突起を研磨して表面を平滑にしたとしても内部に突起の成長跡が残るため、均一な爆縮の妨げとなる。
そこで本発明は、量産化に適し、且つ、表面精度の高い多層の燃料容器を製造することができる、レーザ核融合用燃料容器の製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、第１のノズルと、第１のノズルの吐出口を囲繞する吐出口を有する第２のノズルとを備える複合ノズルを用いて、水を第１のノズルから、有機溶媒を含む有機液を第２のノズルから、同時に安定化液中に吐出し、水が有機液により覆われた液滴を形成させる液滴形成工程と、液滴を形成した有機液に由来する層から有機溶媒を除去する有機溶媒除去工程と、液滴を形成した有機液に由来する層に覆われた水を除去する水除去工程と、を有し、有機液は、有機ポリマー、金属原子又は半金属原子が結合した有機ポリマー、ハロゲン原子が結合した有機ポリマー、及び水泡又は微粒子が分散した有機ポリマーからなるポリマー群に属するポリマーから選択した第１の有機ポリマーと、ポリマー群に属するポリマーから選択した第２の有機ポリマーとを有機溶媒に溶解させた液であり、第１の有機ポリマー及び第２の有機ポリマーは、互いに相分離することができるものである、レーザ核融合用燃料容器の製造方法を提供する。
この製造方法において、第１及び第２のノズルからそれぞれ水及び有機液が安定化液中に吐出されると、第１のノズルから吐出された水の周囲を、第２のノズルから吐出された有機液が覆った液滴が形成される。そして、有機液中に溶解している第１の有機ポリマー及び第２の有機ポリマーが相分離を起こし、内部の水に接する層と、その層の周囲を覆う層との２層を構成する（自己階層化）。その後、有機溶媒及び水が除去されて、レーザ核融合用燃料容器が完成する。この過程において、液滴は安定化液中において球対称となるため、特定の表面に突起等が形成されることはない。従って、本発明の製造方法によれば、表面精度の高い多層のレーザ核融合用燃料容器を製造することができる。また、本発明の製造方法は、第１及び第２のノズルから水及び有機液を吐出し続けることにより液滴を連続して形成させることができるため、レーザ核融合用燃料容器の量産化に適している。
上記製造方法では、第２のノズルは、互いに径が異なり一方の吐出口が他方の吐出口を囲繞している第１のサブノズル及び第２のサブノズルを有し、有機液は、互いに別々に調製された第１の有機液及び第２の有機液を有し、第１の有機液は、第１の有機ポリマーを含み、第２の有機液は、第２の有機ポリマーを含み、液滴形成工程では、第１の有機液を第１のサブノズルから、第２の有機液を第２のサブノズルから吐出するようにしてもよい。この場合、第１の有機ポリマー及び第２の有機ポリマーが、別々のサブノズルから吐出されるため、第１の有機ポリマー及び第２の有機ポリマーが安定化液中に吐出された際の混合が小さく抑えられ、その後の相分離が容易である。また、吐出された際に混合されなかった部分については、その後の混合が起こらず相分離状態が維持されやすい。
また、本発明は、第１のノズルと、第１のノズルの吐出口を囲繞する吐出口を有する第２のノズルとを備える複合ノズルを用いて、水を第１のノズルから、有機液を第２のノズルから、同時に安定化液中に吐出し、水が有機液により覆われた液滴を形成させる液滴形成工程と、液滴を形成した有機液に由来する層に覆われた水を除去する水除去工程と、を有し、有機液は、有機ポリマー、金属原子又は半金属原子が結合した有機ポリマー、及びハロゲン原子が結合した有機ポリマーからなるポリマー群に属するポリマーから選択した第１の有機ポリマーに対応する第１の原料モノマーと、第１の原料モノマーの重合を開始する第１の重合開始剤と、有機ポリマー、金属原子又は半金属原子が結合した有機ポリマー、ハロゲン原子が結合した有機ポリマー、及び水泡又は微粒子が分散した有機ポリマーからなるポリマー群に属するポリマーから選択した第２の有機ポリマーと、を含む液であり、第１の原料モノマーが重合してなる第１の有機ポリマー、及び第２の有機ポリマーは、互いに相分離することができるものである、レーザ核融合用燃料容器の製造方法を提供する。
この製造方法は、上記製造方法における第１の有機ポリマーに対応するものが、原料モノマーの状態であり、当該モノマーに重合開始剤及び第２の有機ポリマーを溶解させて有機液が構成されている。この製造方法では、第１及び第２のノズルからそれぞれ水及び有機液が安定化液中に吐出されると、有機液中の第１の原料モノマーが重合を開始し、第１の有機ポリマーが合成される。そして、第１の有機ポリマー及び第２の有機ポリマーが相分離を起こし、目的の液滴が形成される。
この製造方法においては、有機液は、有機溶媒を含み、液滴を形成した有機液に由来する層から有機溶媒を除去する有機溶媒除去工程を更に有するようにしてもよい。有機液が有機溶媒を含んでいると、第１の原料モノマーに対する第２の有機ポリマーの溶解性が悪い場合や、有機液の粘性を調整したい場合等に都合がよい。
この製造方法においても、第２のノズルは、互いに径が異なり一方の吐出口が他方の吐出口を囲繞している第１のサブノズル及び第２のサブノズルを有し、有機液は、互いに別々に調製された第１の有機液及び第２の有機液を有し、第１の有機液は、第１の原料モノマー及び第１の重合開始剤を含み、第２の有機液は、有機溶媒及び有機溶媒に溶解させた第２の有機ポリマーを含み、液滴形成工程では、第１の有機液及び第２の有機液を、第１のサブノズル及び第２のサブノズルの互いに異なる方から吐出するようにしてもよい。
また、本発明は、第１のノズルと、第１のノズルの吐出口を囲繞する吐出口を有する第２のノズルとを備える複合ノズルを用いて、水を第１のノズルから、有機液を第２のノズルから、同時に安定化液中に吐出し、水が有機液により覆われた液滴を形成させる液滴形成工程と、液滴を形成した有機液に由来する層に覆われた水を除去する水除去工程と、を有し、有機液は、有機ポリマー、金属原子又は半金属原子が結合した有機ポリマー、及びハロゲン原子が結合した有機ポリマーからなるポリマー群に属するポリマーから選択した第１の有機ポリマーに対応する第１の原料モノマーと、有機ポリマー、金属原子又は半金属原子が結合した有機ポリマー、及びハロゲン原子が結合した有機ポリマーからなるポリマー群に属するポリマーから選択した第２の有機ポリマーに対応する第２の原料モノマーと、第１の原料モノマーの重合を開始する第１の重合開始剤と、第２の原料モノマーの重合を開始する第２の重合開始剤と、を含む液であり、第１の原料モノマーが重合してなる第１の有機ポリマー及び第２の原料モノマーが重合してなる第２の有機ポリマーは、互いに相分離することができるものである、レーザ核融合用燃料容器の製造方法を提供する。
この製造方法では、第２のノズルからは、原料モノマーを吐出する。この製造方法では、第１及び第２のノズルからそれぞれ水及び有機液が安定化液中に吐出されると、有機液中の第１の原料モノマー及び第２の原料ポリマーがそれぞれ重合を開始し、第１の有機ポリマー及び第２の有機ポリマーが合成される。そして、第１の有機ポリマー及び第２の有機ポリマーが相分離を起こし、目的の液滴が形成される。
この製造方法においても、有機液は、有機溶媒を含み、液滴を形成した有機液に由来する層から有機溶媒を除去する有機溶媒除去工程を更に有するようにしてもよい。
また、この製造方法においても、第２のノズルは、互いに径が異なり一方の吐出口が他方の吐出口を囲繞している第１のサブノズル及び第２のサブノズルを有し、有機液は、互いに別々に調製された第１の有機液及び第２の有機液を有し、第１の有機液は、第１の原料モノマー及び第１の重合開始剤を含み、第２の有機液は、第２の原料モノマー及び第２の重合開始剤を含み、液滴形成工程では、第１の有機液を第１のサブノズルから、第２の有機液を第２のサブノズルから吐出するようにしてもよい。
上記いずれの製造方法においても、有機ポリマーは、炭化水素系ポリマーであることが好ましい。
本発明によれば、量産化に適し、且つ、表面精度の高い多層の燃料容器を製造することができる、レーザ核融合用燃料容器の製造方法を提供することができる。この製造方法によれば、多層の各層の厚さ、及び、厚さの均一性を制御することもできる。
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
＜レーザ核融合用燃料容器＞
本実施形態の製造方法により製造されるレーザ核融合用燃料容器について説明する。レーザ核融合用燃料容器は、レーザ核融合の実験に用いる中空の球体であり、有機合成された有機ポリマーを球殻とするものである。図１に示されたとおり、レーザ核融合用燃料容器１は、中空で閉じた球体をなす内層２Ａと、内層２Ａの外表面を覆う外層２Ｂとの２層からなっている。全体の直径は、３００μｍ〜１０ｍｍ程度であることが好ましく、内層２Ａ及び外層２Ｂの合計層厚は、５μｍ〜３００μｍ程度であることが好ましい。レーザ核融合用燃料容器１は、使用時には中空部分に核融合原料である重水素及び三重水素が詰められる。
本実施形態の製造方法により製造されるレーザ核融合用燃料容器について説明する。レーザ核融合用燃料容器は、レーザ核融合の実験に用いる中空の球体であり、有機合成された有機ポリマーを球殻とするものである。図１に示されたとおり、レーザ核融合用燃料容器１は、中空で閉じた球体をなす内層２Ａと、内層２Ａの外表面を覆う外層２Ｂとの２層からなっている。全体の直径は、３００μｍ〜１０ｍｍ程度であることが好ましく、内層２Ａ及び外層２Ｂの合計層厚は、５μｍ〜３００μｍ程度であることが好ましい。レーザ核融合用燃料容器１は、使用時には中空部分に核融合原料である重水素及び三重水素が詰められる。
内層２Ａは、第１の有機ポリマーから構成され、外層２Ｂは、第２の有機ポリマーから構成されている。第１の有機ポリマー及び第２の有機ポリマーは、レーザ核融合用燃料容器１の製造過程における原料として、通常の有機ポリマー、金属原子又は半金属原子が結合した有機ポリマー、ハロゲン原子が結合した有機ポリマー、及び、水泡又は微粒子が分散した有機ポリマーからなるポリマー群に属するポリマーから選択したものである。第１の有機ポリマー及び第２の有機ポリマーは、互いに異なる有機ポリマーであることが好ましい。
ここで「有機ポリマー」とは、対応する原料モノマーから人工合成することが可能なポリマーをいう。有機ポリマーのなかでも、合成樹脂が好ましい。
上記のなかでも、金属原子又は半金属原子が結合した有機ポリマー、及び、ハロゲン原子が結合した有機ポリマーは、炭素よりも重い原子が結合した有機ポリマーであるため、レーザ照射による爆縮を効率化する観点から、レーザ核融合用燃料容器１の内層２Ａを構成する第１の有機ポリマーとして採用されることが好ましい。他方、炭素よりも重い原子が結合していない有機ポリマーは、レーザ核融合用燃料容器１の外層２Ｂを構成する第２の有機ポリマーとして採用されることが好ましい。
通常の有機ポリマーとは、特殊な官能基や原子によって修飾されていない汎用の有機ポリマーを指し、例えば、炭化水素系ポリマー、エステル系ポリマー等が挙げられ、具体的には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン系樹脂、ポリメチル（メタ）アクリレート（アクリル系樹脂）、ＡＢＳ樹脂、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリエステル系樹脂、フェノール系樹脂、エポキシ系樹脂、フェノキシ系樹脂等、有機溶媒に可溶な有機ポリマーが挙げられる。
「金属原子又は半金属原子が結合した有機ポリマー」とは、例えば、上記「有機ポリマー」として挙げたポリマーに、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｐｂ等の金属原子又は半金属原子が結合したポリマーをいう。
ハロゲン原子が結合した有機ポリマー」とは、例えば、上記「有機ポリマー」として挙げたポリマーに、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、又はヨウ素原子が結合したポリマーをいう。具体的には、ポリｐ−フッ素スチレン、ポリ−２，５−フルオロスチレン、ポリｐ−クロロスチレン、ポリ−２，５−ジクロロスチレン、ポリｐ−ヨードスチレン、ポリ−２，５−ヨードスチレン、ポリｐ−ブロモスチレン、ポリ−２，５−ブロモスチレンが挙げられる。
「水泡又は微粒子が分散した有機ポリマー」とは、例えば、上記「有機ポリマー」として挙げた樹脂に、水泡又は微粒子が分散したポリマーをいう。ここで、原料時点で含まれている当該水泡は、レーザ核融合用燃料容器１の製造過程における水除去工程において除去され、レーザ核融合用燃料容器１としては、気泡となっていてもよい。内層２Ａ又は外層２Ｂに水泡又は気泡が分散していると、当該ポリマーの密度が低下し、水泡又は気泡が分散していない場合と比べて爆縮速度を変化させることができる。また、微粒子としては、例えば金属原子を含む微粒子が挙げられる。微粒子が有機ポリマー内に分散していることにより、有機ポリマーに化学的に結合させることが困難な原子であっても、内層２Ａ又は外層２Ｂ内に当該原子を導入することができる。
上記いずれのポリマーを用いる場合も、主骨格を構成する「有機ポリマー」としては、炭化水素系ポリマーが好ましい。炭化水素系ポリマーとしては、水酸基、アミノ基、エステル基、エーテル基等を有していてもよいが、炭素原子及び水素原子のみからなる有機ポリマーが、より好ましい。
有機ポリマー（上記金属原子又は半金属原子、ハロゲン原子を除く部分）の分子量は、有機ポリマーの強度、及び、燃料容器の製造過程で有機層中に気泡が生じることを抑制する観点から、１０，０００〜５００，０００であることが好ましく、１００，０００〜４００，０００であることがより好ましい。
＜製造装置＞
次に、レーザ核融合用燃料容器１を製造する製造装置について説明する。図２に示されたとおり、レーザ核融合用燃料容器製造装置（以下、単に「製造装置」と呼ぶ。）１０は、液体を吐出する複合ノズル３と、複合ノズル３に各供給液を供給するラインＬ１〜Ｌ３及びポンプＰ１〜Ｐ３と、一端が複合ノズル３の吐出口３１に取り付けられたチューブ４と、チューブ４の一端側に安定化液を供給するラインＬ４及びポンプＰ４と、チューブ４の他端が案内された水槽５とを備えている。なお、ポンプＰ１〜Ｐ４の前段に存在する各液溜めは、図示を省略している。
次に、レーザ核融合用燃料容器１を製造する製造装置について説明する。図２に示されたとおり、レーザ核融合用燃料容器製造装置（以下、単に「製造装置」と呼ぶ。）１０は、液体を吐出する複合ノズル３と、複合ノズル３に各供給液を供給するラインＬ１〜Ｌ３及びポンプＰ１〜Ｐ３と、一端が複合ノズル３の吐出口３１に取り付けられたチューブ４と、チューブ４の一端側に安定化液を供給するラインＬ４及びポンプＰ４と、チューブ４の他端が案内された水槽５とを備えている。なお、ポンプＰ１〜Ｐ４の前段に存在する各液溜めは、図示を省略している。
図３は、複合ノズル３及びチューブ４の一端側の部分拡大断面図である。複合ノズル３は、直線状に延びる略円筒状の第１のノズル６と、第１のノズル６の吐出口６１を囲繞する吐出口を有するとともに第１のノズル６の胴体部分を囲繞する胴体部分を有する略円筒状の第２のノズル７とを備えている。第２のノズル７は、その内部において、互いに径が異なり一方の吐出口７１Ｂが他方の吐出口７１Ａを囲繞した二重管構造をなしており、第１のノズル６を囲繞する第１のサブノズル７Ａと、第１のサブノズル７Ａを囲繞する第２のサブノズル７Ｂとを形成している。
第１のノズル６、第１のサブノズル７Ａ、及び第２のサブノズル７Ｂは、いずれも先細り形状をなし、その先端部である吐出口６１，７１Ａ，７１Ｂは、この順に径が増大する同心円状に位置している。吐出口６１，７１Ａ，７１Ｂの内径は、製造するレーザ核融合用燃料容器１の大きさ、並びに、内層２Ａ及び外層２Ｂの層厚を考慮したものとなっており、それぞれ、５０μｍ〜２０００μｍ、６０μｍ〜２１００μｍ、７０μｍ〜２２００μｍであることが好ましい。この範囲が、直径３００μｍ〜１０ｍｍのレーザ核融合用燃料容器を製造するためには好ましい。
第１のノズル６、第１のサブノズル７Ａ、及び第２のサブノズル７Ｂにおける吐出口６１，７１Ａ，７１Ｂの反対側には、それぞれ、供給液の受入口である供給口６２，７２Ａ，７２Ｂが設けられている。供給口６２，７２Ａ，７２ＢにはそれぞれラインＬ１〜Ｌ３が接続され、ラインＬ１〜Ｌ３にはそれぞれの供給液（図示せず）を複合ノズル３に輸送するためのポンプＰ１〜Ｐ３が設けられている（図２参照）。
複合ノズル３の吐出口３１には、吐出口３１を覆うようにしてチューブ４の一端が取り付けられている。チューブ４の一端側には、チューブ４内に安定化液を流すための供給口４２が設けられている。この供給口４２にはラインＬ４が接続され、ラインＬ４には安定化液をチューブ４に輸送するためのポンプＰ４が設けられている（図２参照）。
チューブ４の他端は、水槽５の中に案内されている。水槽５は、水槽５に溜められる安定化液を撹拌するための撹拌羽根５１を有している。
＜製造方法＞
次に、製造装置１０を用いたレーザ核融合用燃料容器１の製造方法について説明する。
次に、製造装置１０を用いたレーザ核融合用燃料容器１の製造方法について説明する。
（製造手順）
まず、第１の有機ポリマー及び第２の有機ポリマーを溶解させた有機液を準備する。第１の有機ポリマー及び第２の有機ポリマーの選択に際しては、これらが混合された際に、又は、これらが有機溶媒に溶解して混合された際に、互いに相分離する有機ポリマー同士となるように選択する。選択後、第１の有機ポリマーを有機溶媒に溶解させた第１の有機液９Ａを調製するとともに、第２の有機ポリマーを有機溶媒に溶解させた第２の有機液９Ｂを調製する。
まず、第１の有機ポリマー及び第２の有機ポリマーを溶解させた有機液を準備する。第１の有機ポリマー及び第２の有機ポリマーの選択に際しては、これらが混合された際に、又は、これらが有機溶媒に溶解して混合された際に、互いに相分離する有機ポリマー同士となるように選択する。選択後、第１の有機ポリマーを有機溶媒に溶解させた第１の有機液９Ａを調製するとともに、第２の有機ポリマーを有機溶媒に溶解させた第２の有機液９Ｂを調製する。
ここで、有機溶媒としては、第１の有機ポリマー及び第２の有機ポリマーを溶解することができるものを用いる。第１の有機ポリマーを溶解させる有機溶媒と第２の有機ポリマーを溶解させる有機溶媒は、互いに同一のものを使用してもよく、異なるものを使用してもよい。有機溶媒としては、例えば、芳香族炭化水素が好ましく、なかでも、水中における揮発性（溶解性）が良好な観点から、フルオロベンゼンが好ましい。また、レーザ核融合用燃料容器１の各層の厚さの均一性を向上させる観点から、第１の有機ポリマー及び第２の有機ポリマーの密度を整合するためフロロベンゼンに近い沸点で密度の異なる有機溶媒を混合することが好ましい。この場合、例えば、フロロベンゼンに加える有機溶媒としてベンゼンとトルエンとの組み合わせが好ましい。
第１の有機液９Ａ及び第２の有機液９Ｂの濃度は、溶解性や溶液の粘性にもよるが、１重量／体積％〜３０重量／体積％とすることが好ましい。
ポンプＰ１からラインＬ１を通じて純水８が第１のノズル６に供給されるように、ポンプＰ２からラインＬ２を通じて第１の有機液９Ａが第１のサブノズル７Ａに供給されるように、且つポンプＰ３からラインＬ３を通じて第２の有機液９Ｂが第２のサブノズル７Ｂに供給されるように、各液溜め（図示せず）に各液をそれぞれセットする。また、ポンプＰ４を駆動して、ラインＬ４を通じてチューブ４の一端側から定速で安定化液１３を流し、チューブ４の内部を安定化液１３で満たす。チューブ４の他端から排出される安定化液１３は、撹拌羽根５１を駆動した水槽５で受ける。
チューブ４に流す安定化液１３は、複合ノズル３から吐出された液滴を安定化させるための液体であり、液滴を構成する有機液との相溶性の低い水系溶媒が好ましく、特に水が好ましい。ここで安定化とは、液滴の真球性、及び、相分離した各層の球対称性が確保されることをいう。安定化液１３には、安定化剤が添加されていてもよい。安定化剤としては、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸等の水溶性ポリマー、例えば分子量１００万のポリアクリル酸が挙げられ、これを水に溶解させた濃度０．０２５重量％〜０．０７５重量％、特に０．０５重量％のポリアクリル酸水溶液を安定化液１３として用いることができる。また、安定化液１３の温度は、安定化液１３の対流を抑制する観点から、２０℃〜５０℃が好ましく、２０℃〜２５℃がより好ましい。
複合ノズル３を、吐出口３１が鉛直方向下向きになるように設置する。ポンプＰ１〜Ｐ３を駆動し、ラインＬ１〜Ｌ３を通じて各液を各ノズルから同時に吐出する。すなわち、純水８を第１のノズル６の吐出口６１から、第１の有機液９Ａを第１のサブノズル７Ａの吐出口７１Ａから、第２の有機液９Ｂを第２のサブノズル７Ｂの吐出口７１Ｂから、それぞれチューブ４内を流れる安定化液１３中に吐出する。それぞれのノズルから吐出する流量としては、０．５ｍＬ／ｈ〜２００ｍＬ／ｈが好ましい。このとき、製造するレーザ核融合用燃料容器１の目的のサイズ、各層の厚さ、及び、有機ポリマーの濃度によって流量を適宜設定する。
吐出された各液は、重力及びチューブ４内の安定化液１３の流れによって下方に延びたジェット１１を形成し、やがてジェット１１の先端がちぎれて液滴１２を形成する（液滴形成工程）。この液滴１２は、第１のノズル６から吐出された純水８が、第１の有機液９Ａ及び第２の有機液９Ｂにより覆われたものとなっている（いわゆる「Ｗ１／Ｏ１／Ｏ２／Ｗ２型のエマルション」）。
ここで、液滴１２のうち、第１の有機液９Ａ及び第２の有機液９Ｂの部分（有機液に由来する層）は、一部が互いに混合し、他の一部は混合していない状態となっている。第１の有機ポリマー及び第２の有機ポリマーは、有機溶媒に溶解した状態において互いに相分離するポリマー同士となるように選択したものであるため、第１の有機液９Ａ及び第２の有機液９Ｂの一部が互いに混合された部分は、次第に相分離してくる（自己階層化）。また、吐出された際に混合されなかった部分については、その後の混合が起こらず相分離状態が維持されやすい。
なお、各ノズルから吐出する流量、及び、有機ポリマーの濃度を上記範囲内で調整することにより、液滴１２の大きさや各層の幅（厚さ）を適宜調整することができる。
液滴１２は安定化液１３の流れに乗ってチューブ４内を移動し、やがてチューブ４の他端から排出されて水槽５に蓄えられる。水槽５内では、撹拌羽根５１による撹拌によって液滴１２が水槽５内を回遊しながら、第１の有機液９Ａ及び第２の有機液９Ｂからなる層から有機溶媒が安定化液１３中に浸みだして除去される（有機溶媒除去工程）。有機溶媒が除去されると同時に、第１のポリマー及び第２のポリマーが硬化（固化）して、レーザ核融合用燃料容器１の内層２Ａ及び外層２Ｂとなる部分が構成される。
有機溶媒が除去された後、水槽５から球体を取出し、球体内部の純水８を乾燥して除去する（水除去工程）。ここで、チューブ４に流す安定化液１３として水以外を用いた場合や、安定化液１３に安定化剤を添加していた場合は、球体を一旦純水で洗うことが好ましい。球体内部の純水を乾燥させる方法としては、公知の方法を用いることができ、例えば、大気中での放置（風乾）、真空オーブン等によって乾燥させることができる。乾燥操作により、球体内部の純水８は内層２Ａ及び外層２Ｂを通過して球体外部へ蒸発し、球体は中空となる。
以上の手順によって、レーザ核融合用燃料容器１を製造することができる。
上記の製造方法によれば、この液滴１２が安定化液１３中において球対称となり、有機溶媒除去工程において水槽５内を回遊しながら有機液に由来する層が硬化するため、特定の表面に突起等が形成されることはない。従って、この製造方法によれば、表面精度の高い多層のレーザ核融合用燃料容器１を製造することができる。また、ノズルから吐出する流量や有機ポリマーの濃度等を調整することにより、レーザ核融合用燃料容器１の各層の厚さ、及び、厚さの均一性を制御することもできる。
また、この製造方法は、第１及び第２のノズル６，７から純水８及び有機液９Ａ，９Ｂを吐出し続けることにより液滴１２を連続して形成させることができるため、レーザ核融合用燃料容器１の量産化に適している。
また、金属原子又は半金属原子が結合した有機ポリマー、及び、ハロゲン原子が結合した有機ポリマーが内層２Ａを構成するように、有機ポリマーを吐出するサブノズル７Ａ，７Ｂを選択すれば、所望の構成及び性質を有するレーザ核融合用燃料容器１を製造することができる。
（他の有機液を用いた態様）
上記有機液に代替するものとして、以下の有機液を用いてもよい。すなわち、有機液として準備する第１の有機液９Ａ及び第２の有機液９Ｂは、少なくとも一方を、対応するモノマー及び重合開始剤として準備してもよい。例えば、第１の有機ポリマーに代えて、これに対応する第１の原料モノマー及び第１の原料モノマーの重合を開始させる第１の重合開始剤を用いることができる。この場合、第１の原料モノマーは液体であることが好ましく、第１の原料モノマーが、重合開始剤を溶解させる溶媒を兼ねることができる。モノマーに対する重合開始剤の溶解性が悪い場合や有機液の粘性を低下させたい場合には、有機溶媒を用いることが好ましい。
上記有機液に代替するものとして、以下の有機液を用いてもよい。すなわち、有機液として準備する第１の有機液９Ａ及び第２の有機液９Ｂは、少なくとも一方を、対応するモノマー及び重合開始剤として準備してもよい。例えば、第１の有機ポリマーに代えて、これに対応する第１の原料モノマー及び第１の原料モノマーの重合を開始させる第１の重合開始剤を用いることができる。この場合、第１の原料モノマーは液体であることが好ましく、第１の原料モノマーが、重合開始剤を溶解させる溶媒を兼ねることができる。モノマーに対する重合開始剤の溶解性が悪い場合や有機液の粘性を低下させたい場合には、有機溶媒を用いることが好ましい。
また、第１の有機ポリマーに代えて、これに対応する第１の原料モノマー及び第１の重合開始剤を用いるとともに、第２の有機ポリマーに代えて、これに対応する第２の原料モノマー及び第２の重合開始剤を用いてもよい。この場合でも、各原料モノマーは液体であることが好ましく、各原料モノマーが各重合開始剤を溶解させる溶媒を兼ねることができる。また、この場合でも有機溶媒を適宜使用してもよい。
重合開始剤としては、光や熱によって反応する公知のものを用いることができ、例えば、ラジカル重合開始剤、アニオン重合開始剤、カチオン重合開始剤が挙げられる。
原料モノマー及び重合開始剤を有機液として用いる場合は、複合ノズル３の吐出口３１付近からチューブ４の前半部分までのいずれかの地点において、ジェット１１又は液滴１２に対して光又は熱を加えて原料モノマーの重合を開始させる（重合開始工程）。第１の有機液及び第２の有機液が安定化液１３中に吐出された後、相分離状態が維持された液滴が形成されて、液滴がチューブ４内を移動する。液滴に光又は熱が加えられると、原料モノマーの重合が開始され、有機ポリマーとなって硬化する。第１の有機液及び第２の有機液のいずれにも有機溶媒を使用しなかった場合は、上記有機溶媒除去工程は不要である。
（製造例）
上記手順によって製造する一例を示すと、以下のとおりである。
上記手順によって製造する一例を示すと、以下のとおりである。
第１のノズルの吐出口の内径…１００μｍ
第１のサブノズルの吐出口の内径…２００μｍ
第２のサブノズルの吐出口の内径…３２０μｍ
チューブの内径…２．７ｍｍ
第１のサブノズルの吐出口の内径…２００μｍ
第２のサブノズルの吐出口の内径…３２０μｍ
チューブの内径…２．７ｍｍ
・第１のノズルから吐出する液…純水
・第１のサブノズルから吐出する第１の有機液…ポリｐ−クロロスチレンのフルオロベンゼン溶液（濃度３％）
・第２のサブノズルから吐出する第２の有機液…ポリスチレンのフルオロベンゼン溶液（濃度１８％）
・チューブに流す安定化液…ポリアクリル酸の水溶液（濃度０．０５％）
・第１のサブノズルから吐出する第１の有機液…ポリｐ−クロロスチレンのフルオロベンゼン溶液（濃度３％）
・第２のサブノズルから吐出する第２の有機液…ポリスチレンのフルオロベンゼン溶液（濃度１８％）
・チューブに流す安定化液…ポリアクリル酸の水溶液（濃度０．０５％）
・第１のノズルから吐出する流量…３ｍＬ／ｈ
・第１のサブノズルから吐出する流量…４ｍＬ／ｈ
・第２のサブノズルから吐出する流量…６．５ｍＬ／ｈ
・チューブに流す安定化液の流量…１０ｍＬ／ｍｉｎ
・チューブに流す安定化液の温度…室温℃
これらの条件では、直径１０００μｍ〜１５００μｍのレーザ核融合用燃料容器１（内層厚さ６μｍ〜１０μｍ、外層厚さ１４μｍ〜２０μｍ）が製造されることが予想される。
・第１のサブノズルから吐出する流量…４ｍＬ／ｈ
・第２のサブノズルから吐出する流量…６．５ｍＬ／ｈ
・チューブに流す安定化液の流量…１０ｍＬ／ｍｉｎ
・チューブに流す安定化液の温度…室温℃
これらの条件では、直径１０００μｍ〜１５００μｍのレーザ核融合用燃料容器１（内層厚さ６μｍ〜１０μｍ、外層厚さ１４μｍ〜２０μｍ）が製造されることが予想される。
＜他の製造装置を用いた製造方法＞
上記製造方法では、複合ノズル３が三重管構造を有する製造装置１０を用いた場合を示したが、複合ノズルが二重管構造を有する製造装置を用いてもよい。すなわち、第２のノズル７が第１のサブノズル７Ａと第２のサブノズル７Ｂとに分かれていないものを用いてもよい。以下、これについて説明する。
上記製造方法では、複合ノズル３が三重管構造を有する製造装置１０を用いた場合を示したが、複合ノズルが二重管構造を有する製造装置を用いてもよい。すなわち、第２のノズル７が第１のサブノズル７Ａと第２のサブノズル７Ｂとに分かれていないものを用いてもよい。以下、これについて説明する。
図４に示されたとおり、二重管構造を有する複合ノズル３Ａが三重管構造を有する複合ノズル３と異なる点は、第２のノズル７が第１のサブノズルと第２のサブノズルとに分かれておらず、有機液９が一つの供給口７２から供給され、一つの吐出口７１から吐出される点である。
また、第２のノズル７から吐出する有機液９についても、第１の有機液と第２の有機液とに分かれておらず、一種類の液体として第２のノズル７に供給される。有機液９は、有機溶媒に第１の有機ポリマー及び第２の有機ポリマーを溶解させて調製する。有機ポリマーの選択については、上記実施形態と同様である。
純水８を第１のノズル６から、有機液９を第２のノズル７から吐出すると、これらが重力及びチューブ４内の安定化液１３の流れによって下方に延びたジェット１１Ａを形成し、やがてジェット１１Ａの先端がちぎれて液滴１２Ａを形成する（液滴形成工程）。この液滴１２Ａは、第１のノズル６から吐出された純水８が、１層の有機液９により覆われたものとなる（いわゆる「Ｗ１／Ｏ／Ｗ２型のエマルション」）。
ここで、液滴１２Ａは、純水８の周囲が１層の有機液９により覆われた構成を有しているが、チューブ４内を移動しながら、有機液に由来する層（９）が相分離を起こし、層の区別がなかった状態から、２層に分離した状態（符号１２で示した状態）に変化する（自己階層化）。その後の有機溶媒除去工程及び水除去工程については、上記実施形態と同様に行う。
この製造装置及び製造方法によれば、簡略化された複合ノズル３Ａを用いてレーザ核融合用燃料容器１を製造することができる。
なお、この実施形態においても、有機液９中の第１の有機ポリマーに代えて、これに対応する第１の原料モノマー及び第１の重合開始剤を用いることができ、第２の有機ポリマーに代えて、これに対応する第２の原料モノマー及び第２の重合開始剤を用いることができる。有機溶媒の使用／不使用についても適宜選択することができる。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではない。例えば、上記実施形態ではいずれも、レーザ核融合用燃料容器１が内層２Ａと外層２Ｂの２層からなる例を示したが、本発明によれば、３層以上からなるレーザ核融合用燃料容器１を製造することもできる。
この場合、第２のノズル７が有するサブノズルを、第１のサブノズル、第２のサブノズル、第３のサブノズル、…、第ｎのサブノズル（ｎは整数）と増やした構造を有する複合ノズルを作製し、それぞれのサブノズルから第１の有機液、第２の有機液、第３の有機液、…、第ｎの有機液（ｎは整数）をそれぞれ吐出することにより、チューブ４内でＷ１／Ｏ１／Ｏ２／Ｏ３／…／Ｏｎ／Ｗ２型の複合エマルションを形成させ、ｎ層構成を有するレーザ核融合用燃料容器を製造することができる。ここで、「第ｎの有機液」は、第１及び第２の有機液と同様の選択肢から調製されるものである。
その一例を、図５に示した。図５は、３層構成を有するレーザ核融合用燃料容器を製造する様子を示している。図５に示された複合ノズル３は、図３に示された複合ノズル３の構成に対し、第２のノズル７が、第２のサブノズル７Ｂを囲繞する第３のサブノズル７Ｃを形成したものである。第３のサブノズル７Ｃは、第１及び第２のサブノズル７Ａ，７Ｂと同様に、吐出口７１Ｃ及び供給口７２Ｃを有している。
第１及び第２のサブノズル７Ａ，７Ｂが第１及び第２の有機液９Ａ，９Ｂを吐出するのと同時に第３のサブノズル７Ｃが第３の有機液９Ｃを吐出する。これにより、チューブ４内でジェット１１Ｂ及び液滴１２Ｂが形成される。このようにして、多層の各層の種類を任意に制御したレーザ核融合用燃料容器を製造することができる。
また、上記実施形態で用いた水槽５に代えて、図６に示されたとおり、細口の入口を有し、且つ本体部が円筒状である水槽５Ａを用いることもできる。この場合、撹拌羽根を用いる代わりに、円筒の軸線が略水平となるように水槽５Ａを傾けて、水平方向を軸線として水槽５Ａを回転（図中の矢印参照。）させることにより、内部の液滴１２を撹拌することができる（有機溶媒除去工程）。
１…レーザ核融合用燃料容器、３，３Ａ…複合ノズル、６…第１のノズル、７…第２のノズル、７Ａ…第１のサブノズル、７Ｂ…第２のサブノズル、７Ｃ…第３のサブノズル、８…純水（水）、９…有機液、９Ａ…第１の有機液、９Ｂ…第２の有機液、９Ｃ…第３の有機液、１２，１２Ａ，１２Ｂ…液滴、１３…安定化液、３１，６１，７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃ…吐出口。
Claims (9)
- 第１のノズルと、前記第１のノズルの吐出口を囲繞する吐出口を有する第２のノズルとを備える複合ノズルを用いて、水を前記第１のノズルから、有機溶媒を含む有機液を前記第２のノズルから、同時に安定化液中に吐出し、前記水が前記有機液により覆われた液滴を形成させる液滴形成工程と、
前記液滴を形成した有機液に由来する層から前記有機溶媒を除去する有機溶媒除去工程と、
前記液滴を形成した有機液に由来する層に覆われた前記水を除去する水除去工程と、を有し、
前記有機液は、有機ポリマー、金属原子又は半金属原子が結合した有機ポリマー、ハロゲン原子が結合した有機ポリマー、及び水泡又は微粒子が分散した有機ポリマーからなるポリマー群に属するポリマーから選択した第１の有機ポリマーと、前記ポリマー群に属するポリマーから選択した第２の有機ポリマーとを前記有機溶媒に溶解させた液であり、
前記第１の有機ポリマー及び前記第２の有機ポリマーは、互いに相分離することができるものである、レーザ核融合用燃料容器の製造方法。 - 前記第２のノズルは、互いに径が異なり一方の吐出口が他方の吐出口を囲繞している第１のサブノズル及び第２のサブノズルを有し、
前記有機液は、互いに別々に調製された第１の有機液及び第２の有機液を有し、
前記第１の有機液は、前記第１の有機ポリマーを含み、
前記第２の有機液は、前記第２の有機ポリマーを含み、
前記液滴形成工程では、前記第１の有機液を前記第１のサブノズルから、前記第２の有機液を前記第２のサブノズルから吐出する、請求項１記載のレーザ核融合用燃料容器の製造方法。 - 第１のノズルと、前記第１のノズルの吐出口を囲繞する吐出口を有する第２のノズルとを備える複合ノズルを用いて、水を前記第１のノズルから、有機液を前記第２のノズルから、同時に安定化液中に吐出し、前記水が前記有機液により覆われた液滴を形成させる液滴形成工程と、
前記液滴を形成した有機液に由来する層に覆われた前記水を除去する水除去工程と、を有し、
前記有機液は、有機ポリマー、金属原子又は半金属原子が結合した有機ポリマー、及びハロゲン原子が結合した有機ポリマーからなるポリマー群に属するポリマーから選択した第１の有機ポリマーに対応する第１の原料モノマーと、前記第１の原料モノマーの重合を開始する第１の重合開始剤と、有機ポリマー、金属原子又は半金属原子が結合した有機ポリマー、ハロゲン原子が結合した有機ポリマー、及び水泡又は微粒子が分散した有機ポリマーからなるポリマー群に属するポリマーから選択した第２の有機ポリマーと、を含む液であり、
前記第１の原料モノマーが重合してなる前記第１の有機ポリマー、及び前記第２の有機ポリマーは、互いに相分離することができるものである、レーザ核融合用燃料容器の製造方法。 - 前記有機液は、有機溶媒を含み、
前記液滴を形成した有機液に由来する層から前記有機溶媒を除去する有機溶媒除去工程を更に有する、請求項３記載のレーザ核融合用燃料容器の製造方法。 - 前記第２のノズルは、互いに径が異なり一方の吐出口が他方の吐出口を囲繞している第１のサブノズル及び第２のサブノズルを有し、
前記有機液は、互いに別々に調製された第１の有機液及び第２の有機液を有し、
前記第１の有機液は、前記第１の原料モノマー及び前記第１の重合開始剤を含み、
前記第２の有機液は、有機溶媒及び前記有機溶媒に溶解させた前記第２の有機ポリマーを含み、
前記液滴形成工程では、前記第１の有機液及び前記第２の有機液を、前記第１のサブノズル及び前記第２のサブノズルの互いに異なる方から吐出する、請求項４記載のレーザ核融合用燃料容器の製造方法。 - 第１のノズルと、前記第１のノズルの吐出口を囲繞する吐出口を有する第２のノズルとを備える複合ノズルを用いて、水を前記第１のノズルから、有機液を前記第２のノズルから、同時に安定化液中に吐出し、前記水が前記有機液により覆われた液滴を形成させる液滴形成工程と、
前記液滴を形成した有機液に由来する層に覆われた前記水を除去する水除去工程と、を有し、
前記有機液は、有機ポリマー、金属原子又は半金属原子が結合した有機ポリマー、及びハロゲン原子が結合した有機ポリマーからなるポリマー群に属するポリマーから選択した第１の有機ポリマーに対応する第１の原料モノマーと、有機ポリマー、金属原子又は半金属原子が結合した有機ポリマー、及びハロゲン原子が結合した有機ポリマーからなるポリマー群に属するポリマーから選択した第２の有機ポリマーに対応する第２の原料モノマーと、前記第１の原料モノマーの重合を開始する第１の重合開始剤と、前記第２の原料モノマーの重合を開始する第２の重合開始剤と、を含む液であり、
前記第１の原料モノマーが重合してなる前記第１の有機ポリマー及び前記第２の原料モノマーが重合してなる前記第２の有機ポリマーは、互いに相分離することができるものである、レーザ核融合用燃料容器の製造方法。 - 前記有機液は、有機溶媒を含み、
前記液滴を形成した有機液に由来する層から前記有機溶媒を除去する有機溶媒除去工程を更に有する、請求項６記載のレーザ核融合用燃料容器の製造方法。 - 前記第２のノズルは、互いに径が異なり一方の吐出口が他方の吐出口を囲繞している第１のサブノズル及び第２のサブノズルを有し、
前記有機液は、互いに別々に調製された第１の有機液及び第２の有機液を有し、
前記第１の有機液は、前記第１の原料モノマー及び前記第１の重合開始剤を含み、
前記第２の有機液は、前記第２の原料モノマー及び前記第２の重合開始剤を含み、
前記液滴形成工程では、前記第１の有機液を前記第１のサブノズルから、前記第２の有機液を前記第２のサブノズルから吐出する、請求項６又は７記載のレーザ核融合用燃料容器の製造方法。 - 前記有機ポリマーは、炭化水素系ポリマーである、請求項１〜８のいずれか一項記載のレーザ核融合用燃料容器の製造方法。
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