JP7478793B2 - 相互作用する反応物のクーロン障壁の低減 - Google Patents
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本願は、2017年5月9日に提出された米国仮出願番号62/503680の利益を主張する。本願は、2017年5月8日に提出された発明の名称がREACTOR USING ELECTRICAL AND MAGNETIC FIELDS(電場及び磁場を用いた原子炉)である米国特許出願番号15/589902の部分継続出願でもあり、番号15/589902の米国特許出願は、2014年6月27日に提出された発明の名称がMETHODS、DEVICES AND SYSTEMS FOR FUSION REACTIONS(融合反応用の方法、デバイス及びシステム)である米国特許出願番号14/318246の部分継続出願であり、この番号14/318246の米国特許出願は、以下の利益を主張する。(i)2013年6月27日に提出された米国仮出願番号61/840428、(ii)2014年1月8日に提出された米国仮出願番号61/925114、(iii)2014年1月8日に提出された米国仮出願番号61/925131、(iv)2014年1月8日に提出された米国仮出願番号61/925122、(v)2014年1月8日に提出された米国仮出願番号61/925148、(vi)2014年1月8日に提出された米国仮出願番号61/925142、(vii)2013年7月1日に提出された米国仮出願番号61/841834、(viii)2013年7月4日に提出された米国仮出願番号61/843015。米国特許出願番号14/318246は、2014年3月11日に提出された米国特許出願番号14/205339(今、2016年1月26日に授権された米国特許第9245654号)の部分継続出願でもあり、この番号14/205339の米国特許出願は、2013年3月11日に提出された米国仮出願番号61/776592の利益を主張し、また、2017年5月8日に提出された発明の名称がREACTOR USING ELECTRICAL AND MAGNETIC FIELDS(電場及び磁場を用いた原子炉)である米国特許出願番号15/589902の部分継続出願、2017年5月8日に提出された発明の名称がREACTOR USING ELECTRICAL AND MAGNETIC FIELDS(電場及び磁場を用いた原子炉)である米国特許出願番号15/589913の部分継続出願、2017年5月8日に提出された発明の名称がREACTOR USING ELECTRICAL AND MAGNETIC FIELDS(電場及び磁場を用いた原子炉)である米国特許出願番号15/589886の部分継続出願、及び2017年5月8日に提出された発明の名称がREACTOR USING AZIMUTHALLY VARYING ELECTRICAL FIELDS(方位角可変電場を用いた原子炉)である米国特許出願番号15/589905の部分継続出願であり、これら優先権出願のそれぞれの全内容は、あらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれている。
本明細書に開示される様々な実施形態は、原子炉、及び原子炉に投入されるエネルギーよりも多くのエネルギーを発生させる方法で2つ以上の原子核間の反応を誘導する条件下でそれらの原子炉を運転する方法に関する。本開示は、核融合反応又は単に融合反応のような反応を指すが、反応の各側面は、従来核融合を特徴とする反応の各側面とは定量的又は定性的に異なる場合がある。したがって、本開示の残りの部分で「融合」という用語が使用される場合、この用語は、核融合に通常含まれるすべての特徴を必ずしも有することを意味するものではない。本明細書に開示されるいくつかの実施形態では、原子炉は持続的な融合反応を発生できるため、実行可能なエネルギー源として適切である。本明細書に記載されるように、持続的な融合反応とは、原子炉が約1秒間の時間単位よりも長く連続的に運転できる融合反応を指す。
中性物と壁の相互作用
クーロン障壁の低減
用語
無中性子反応の例には、以下が含まれる。
p+B11→3He4+8.68MeV
D+He3→He4+p+18.35MeV
p+Li6→He4+He3+4.02MeV
p+Li7→2He4+17.35MeV
p+p→D+e+v+1.44MeV
D+p→He3+γ+5.49MeV
He3+He3→He4+2p+12.86MeV
p+C12→N13+γ+1.94MeV
N13→C13+e+v+γ+2.22MeV
p+C13→N14+γ+7.55MeV
p+N14→O15+γ+7.29MeV
O15→N15+e+v+γ+2.76MeV
p+N15→C12+He4+4.97MeV
C12+C12→Na23+p+2.24MeV
C12+C12→Na20+He4+4.62MeV
C12+C12→Mg24+γ+13.93MeV
中性子反応の例には、以下が含まれる。
D+T→He4+n+17.59MeV
D+D→He3+n+3.27MeV
T+T→He4+2n+11.33MeV
ローレンツィアンロータの実施形態
第1の実施形態
逆電気極性の実施形態
逆場の実施形態
波動粒子の実施形態
ハイブリッド実施形態
原子炉の種類(寸法)
第1の実施形態
第1の実施形態-電極
第1の実施形態-磁石
逆電気極性の実施形態
逆場原子炉の実施形態
波動粒子原子炉の実施例
ハイブリッド原子炉の実施形態
電子エミッタ
ガス供給システム
冷却システム
いくつかの場合には、原子炉の持続的な運転を可能にするために、原子炉を冷却して、電極、磁石及び/又は他の部材が過熱するを防ぐ必要がある。いくつかの実施形態では、原子炉は、液体浴に完全に浸出することにより冷却され得る。いくつかの実施形態では、原子炉は、伝導を介して原子炉から熱を取り除き、空気又は液体冷却剤などの流体媒体に伝達するヒートシンクを含む。一例として、熱交換器が使用されてもよい。ファン又はポンプは、流速を制御することができ、流体媒体に伝達される熱を運び去ることに寄与できる。原子炉内で監視された温度に応じて、層流と乱流の間で流体の流れが調整されるように、流体の速度を調整できる。いくつかの実施形態では、流体は、原子炉の外側の冷却ジャケットを通過し、いくつかの場合には、冷却管を使用して原子炉内の部材を冷却してもよい。本明細書の他の場所で説明するように、ヒートシンクは、熱エンジンが電気エネルギーを生成するための作動流体に熱を伝達することに用いられる。原子炉を冷却するための作動流体として使用できる液体の例には、水、液体鉛、液体ナトリウム、液体ビスマス、溶融塩、溶融金属、及び一部のアルコール、炭化水素、ハロカーボンを含むさまざまな有機化合物が含まれる。
電源
センサ
制御システム
放射線シールド
いくつかの実施形態では、たとえば、原子炉が無中性子又はほぼ無中性子反応をサポートする場合、原子炉は、放射線被曝を低減するためのシールドをほとんど必要としない場合がある。中性子放射の懸念がある場合、原子炉は、適切なシールドを備え得る。中性子はほとんどの物質を容易に通過するが、生物学的損傷を引き起こすほど相互作用する。いくつかの場合には、中性子を吸収する筐体に原子炉を配置することがある。いくつかの場合には、原子炉の閉じ込め壁には、中性子を吸収するための外層が含まれる。いくつかの場合には、シールド層は、高水分含有量のコンクリート、ポリエチレン、パラフィン、ワックス、水又はその他の炭化水素材料で製造されてもよい。いくつかの場合には、シールド層は、鉛又はホウ素を中性子吸収剤として含み得る。たとえば、炭化ホウ素は、シールド層として使用できるが、コンクリートのコストが非常に高い。いくつかの実施形態では、原子炉のz方向の端部は、中性子を吸収するだけでなく、断熱性及び電気的絶縁性を有する窒化ホウ素などの材料を含んでもよい。いくつかの場合には、電子エミッタ(たとえば六ホウ化ランタン)は、電子放射(neurotic radiation)からのシールドを提供する追加の機能を果たす。いくつかの場合には、大型原子炉では、水、油又は砂利のタンクなどは、効果的なシールドを提供するために原子炉の上に配置することができる。シールド層の厚さは、部分的に、使用される材料、原子炉の位置、融合反応のタイプ、及び原子炉の寸法に依存する。いくつかの実施形態では、シールド層は、約10cmより大きく、いくつかの場合には、シールド層は、約100cmより大きく、いくつかの場合には、シールド層は約1mより大きい。
交換可能な部材
実施例
1.)負電極(外側電極)
導電率
構造的完全性
2.)正電極(内側電極)
導電率
構造的完全性
3.)六ホウ化ランタンターゲット
ホウ素同位体の組成
構造的完全性
エネルギー変換ハードウェア
筐体
プロセス条件
多段運転及び/又は反応
波動粒子の実施形態では、電極の電荷シーケンス又は駆動信号を閉じ込め領域に隣接する電極に印加して、回転を開始することができる。たとえば、駆動信号は、約60Hzなどの低周波数で開始されて、次に、約10MHzなど、より高い周波数にランプアップし得る。いくつかの場合には、原子炉は、融合反応を停止するための類似した多段プロセスを含んでもよい。いくつかの場合には、原子炉は、融合反応が停止してから再開するまでの間に発生するアイドル段階を有してもよい。原子炉の運転中、パラメータを厳密に監視することができる。ローレンツ力を利用して電荷種を回転させる原子炉では、閉じ込め領域又は閉じ込め壁近くの環状空間の電流密度は、約150A/m2~約10kA/m2の範囲。たとえば、約150A/m2~約9kA/m2であり得る。いくつかの場合には、閉じ込め壁近くの電流密度は、約150A/m2~約700kA/m2の範囲、いくつかの場合には約400A/m2~約6000kA/m2の範囲であってもよい。いくつかの場合には、閉じ込め壁近くには十分な電場を維持するために原子炉を運転させる。たとえば、いくつかの場合には、電場は、約25V/mより大きく、いくつかの場合には、約40V/mより大きく、そして、いくつかの場合には、約30V/mより大きい。
ガス条件
クーロン障壁を低減させるための運転条件
用途
Claims (18)
- 原子炉であって、
荷電粒子及び中性物が内部で回転可能な閉じ込め領域を少なくとも部分的に囲む閉じ込め壁と、
前記閉じ込め領域に隣接又は近接する複数の電極と、
前記複数の電極の少なくとも2つの間に電位を印加するように構成される電圧及び/又は電流源を含み、印加される電位が前記閉じ込め領域において電場を発生させ、前記電場が単独に又は磁場と組み合わせて前記荷電粒子及び前記中性物の前記閉じ込め領域での回転運転を誘導及び/又は維持する制御システムと、
前記閉じ込め領域の内部に配置される又は前記閉じ込め領域に隣接する反応物であって、運転中、前記中性物と前記反応物との間の繰り返した衝突により前記反応物との相互作用を発生させ、前記相互作用がエネルギーを放出するとともに生成物を発生させ、前記生成物の核質量が前記中性物及び前記反応物の核のうちのいずれの核質量とも異なり、運転中、前記反応物に近接する前記閉じ込め領域に電子リッチ領域を含み、正荷電粒子よりも前記電子リッチ領域における電子の量が少なくとも約106/cm3多い反応物と、
を備え、
前記閉じ込め領域の内部に配置される又は前記閉じ込め領域に隣接する電子エミッタをさらに備え、運転中、前記電子エミッタは、前記閉じ込め領域において電子を発生させ、
前記電子エミッタの温度を監視するために設置された温度センサをさらに備え、
前記制御システムは、監視された温度に基づいて前記電子エミッタの前記閉じ込め領域での移動を制御するように構成される、原子炉。 - 前記複数の電極は、前記閉じ込め領域の周囲に方位角的に分布しており、且つ、前記制御システムは、前記複数の電極に時変電圧を印加することにより荷電粒子及び前記中性物の前記閉じ込め領域での回転運転を誘導するように構成される、
請求項1に記載の原子炉。 - 前記原子炉は、前記閉じ込め領域内の前記電場と印加される磁場との間の相互作用により荷電粒子及び前記中性物の前記閉じ込め領域での回転運転を誘導するように構成される、請求項1又は2に記載の原子炉。
- 運転中、前記電子リッチ領域内の電子と陽イオンの比率は、約106:1~108:1である、
請求項1~3のいずれか1項に記載の原子炉。 - 前記電子エミッタは、前記閉じ込め壁に取り付けられ又は嵌め込まれる、
請求項1~4のいずれか1項に記載の原子炉。 - 断熱及び/又は電気絶縁を提供するように構成され、前記閉じ込め壁と前記電子エミッタとの間に挿入される1つ又は複数の絶縁層をさらに備える、
請求項1~5のいずれか1項に記載の原子炉。 - 前記1つ又は複数の絶縁層は、ジルコニア、アルミナ、窒化亜鉛及びマグネシアを含む、
請求項6に記載の原子炉。 - 前記電子エミッタは、前記閉じ込め領域の内部まで突出している点を少なくとも1つ有する、
請求項1~7のいずれか1項に記載の原子炉。 - 前記電子エミッタに熱的に連通するフィラメントをさらに備え、
前記制御システムは、さらに前記フィラメントを流れる電流を印加するように構成される、
請求項1~8のいずれか1項に記載の原子炉。 - 前記電子エミッタの温度を監視するように構成される温度センサをさらに備え、
前記制御システムは、監視された温度に基づいて電流を前記フィラメントに印加するように構成される、
請求項9に記載の原子炉。 - レーザをさらに備え、
前記レーザは、前記閉じ込め領域を通って前記電子エミッタ上又は前記閉じ込め壁上に到着する光ビームを放出して、前記光ビームと前記電子エミッタ又は前記閉じ込め壁との間の相互作用により電子が前記閉じ込め領域の内部に放出されることを引き起こすように構成される、
請求項1~10のいずれか1項に記載の原子炉。 - 前記電子エミッタは、前記原子炉の運転中、前記閉じ込め領域に出入りするように構成される、
請求項1~11のいずれか1項に記載の原子炉。 - 前記制御システムは、さらに前記電子エミッタの前記閉じ込め領域での移動を制御するように構成される、
請求項12に記載の原子炉。 - 前記電子エミッタは、ホウ素又はホウ素含有材料を含む、
請求項1~13のいずれか1項に記載の原子炉。 - 前記反応物は、ホウ素-11を含む、
請求項1~14のいずれか1項に記載の原子炉。 - 前記生成物の核質量は、前記中性物及び前記反応物の核のうちのいずれか一方の核質量より大きい、
請求項1~15のいずれか1項に記載の原子炉。 - 前記中性物は、中性水素、重水素及び/又はトリチウムを含む、
請求項1~16のいずれか1項に記載の原子炉。 - 荷電反応生成物の熱エネルギー、運動エネルギー及び/又は前記原子炉からの機械エネルギーを抽出して、前記熱エネルギー、運動エネルギー及び/又は機械エネルギーを電気エネルギー及び/又は機械エネルギーに変換して、前記原子炉の外部で仕事をするために配置されたエネルギー変換装置をさらに備える、
請求項1~17のいずれか1項に記載の原子炉。
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