JPH02280091A - プラズマ核融合装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「発明の利用分野」 本発明は、磁場およびマイクロ波を用いたプラズマ気相
反応により、核融合反応を確実に実施せしめるとともに
、その核融合反応用の装置に関するものである。

「従来の技術」 電気化学的に核融合反応（コールド・ニューフレア・フ
ュージョンともいう）を行わしめることが、Ｓ、Ｅ、ジ
ョーンズ等により発明、報告されている。そのタイトル
は「オブザベイション・オブ・コールド・ニュークリア
・フュージョン・イン・コンデンスト・マター」と題さ
れ、Ｓ、Ｅ、ジョーンズ、Ｅ、Ｐ、バルマー、Ｊ、Ｂ、
フリエ、Ｄ、Ｌ、デエツカーＧ、Ｌ、ジエンセン、Ｊ、
Ｍ、ソーン、Ｓ、Ｆ、テーラ−（以上プリガム・ヤング
大学）およびＪ、ラフエルスキ（アリシナ大学）で示さ
れている。

これは、重水（０，０）を含む溶液中に一対の電極を構
成する陰極側にパラジウムまたはチタン、陽極側に金ま
たは白金を用いて浸し、この電極間に直流電圧を印加し
ている。さらにその電気化学的核融合反応は大気圧で行
っている。

この反応は大気圧の水溶液中で行うため、重水素核（ｄ
）同士が互いに結合し、核融合を起こす存在確率が１よ
りはるかに低い。

また電極の一部で重水素核の発生を行うと同時に、同じ
場所で重水素核同士の融合反応をも行っている。また溶
液のため、重水素同士を核融合させる触媒として用いら
れるパラジウムは非反応性物質がその表面に付着し覆う
等の理由により被毒し触媒活性の程度を劣化させやすく
、この被毒膜を破って核融合を均一に生ぜしめることが
困難である。このため、この核融合反応はバラツキが大
きく、再現性に欠けるものであった。また核融合とは別
に、同時に併発する電気化学反応により分解された大部
分をしめる反応生成物は、気体の重水素として大気中に
放出されてしまい、実際の核融合反応に用いられる重水
素の数は期待値よりもはるかに小さいものであった。こ
のため、この核融合反応を確実に高い確率で制御する方
法の開発が待たれていた。

「発明の目的」 本発明はこれら従来の問題点を解決するものであり、高
密度プラズマ核融合反応を確実に行うための装置を提供
するものである。このため、反応材料は溶液を用いるの
ではなく、９８％以上の高純度（残りは水素（■２）で
あり、その他は１１００ＰＰ以下である）の重水素（Ｄ
２）気体を用いている。そしてこれ等の気体をプラズマ
化する領域と、このプラズマ化した重水素原子またはイ
オンを核融合反応をする材料に引きつけて、ここで核融
合反応を行わしめる領域とを設け、核融合の発生の確率
の向上に努めたものである。

かくすることにより、核融合の発生確率を高くし、また
プラズマ発生室の外側を取り囲むようにめぐらせたプラ
ズマ発生用の材料と、その外側に発散する中性子のすべ
てを吸収する媒体を有する熱交換手段とを具備させるこ
とにより、核融合により発生したエネルギをより効率よ
く外部に取り出さんとしたものである。

即ち、この反応により生じた中性子を、核融合を生ぜし
める材料の裏側に配設された槽を有する基体に放出せし
め、この槽を構成し中性子を吸収する媒体、例えば水（
ＨｚＯ）に中性子等のエネルギのすべてを与えることに
より、その外側に中性子等の放射性元素が発散し、放射
能災害を発生させないようにしつつ、加えて熱エネルギ
に交換し、二〇熱エネルギをこの媒体を通じて外部に取
り出すことにより、核融合反応により生じたエネルギ、
特に熱エネルギをこの核融合反応室より分離して単なる
熱エネルギ源として、工業的応用、例えば発電、暖房等
に用いんとするものである。

「発明の構成」 本発明は、重水素（Ｄ２）を高周波よりも１０〜１０３
倍も高密度のプラズマを発生させ得るマイクロ波と磁気
との共鳴を用いたプラズマ反応容器に導入し、電気エネ
ルギを加えてこの気体をプラズマ化して核融合をせしめ
たものである。さらにこのプラズマ中の重水素イオンを
負に外部バイアスされた電界により核融合をおこす材料
（以下単に材料またはパラジウムまたはチタンと代表し
ていう）によりこのプラズマの内壁のすべてを囲むよう
に配設し、その表面に引き寄せる。

すると、重水素核（ｄと記す）または重水素イオンはパ
ラジウム側のカソード（陰極）側の表面に衝突し、この
表面または内部（近傍）で核融合反応を生ぜしめ得る。

外部バイアスは直流バイアスをパラジウム側が負のバイ
アスになるように印加した。

このコールド・ニュークリア・フュージョン（低温核融
合）の証明は、この容器の近くに中性子カウンタを配設
し、そこで発生した中性子の存在および量により確認し
た。

かくしてパラジウム側において、 ｄ　＋　ｄ　−”Ｈｅ（０，８２ＭｅＶ）＋ｎ（２，４
５ＭｅＶ）の反応を期待できる中性子（ｎ）を計測する
ことができる。

同時に、 ｄ　＋　ｄ　→Ｐ（３，０２ＭｅＶ）＋ｔ（１，０ＩＭ
ｅＶ）の反応を期待することも可能である。

かかる核融合の結果、このパラジウム電極の裏面に配設
された熱交換媒体、例えば水に対し、２．４５ＭｅＶの
エネルギをもつ中性子が衝突し、この温度を上昇させる
ことによりエネルギ交換の存在を検出した。さらに中性
子の存在はニュートロン・スペクトロメータによりその
存在が検出することができた。

その中性子の発生の程度および媒体の温度上昇の程度は
、反応容器内のプラズマ圧力をＱ、　ｌ　ｔｏｒｒから
７６０ｔｏｒｒへと大きくするにつれて、また供給する
電気エネルギを大きくするに比例して、大きくなる。外
部よりのバイアスを加えない場合に比べ、パラジウム側
の反応は負のバイアス電圧を大きくすることにより、核
融合反応は明らかに助長された。直流バイアスの程度は
一１００Ｖ〜−１０００Ｖまで変化させた。もちろんこ
れ以上のバイアス電圧を加えてもよいが、その場合、何
らかの拍子に爆発の起こる危険性があるため、反応効率
はすすむが危険を伴うと推定される。

またかかるプラズマ空間の外周に配設され一方の電極を
構成する表面にパラジウム膜を配設させ、そこでの核融
合とするに際し、反応が異常に進行市内ように、核融合
反応の程度を制御することは重要である。そのため、反
応に必要な電圧に比べ十分高い電圧を印加し、かつ負の
直流バイアスでありながらその印加時間をパルス化（間
歇化）することにより、反応が核融合臨界値をこえない
ように制御した。即ち、例えば毎分１〜１０００回のパ
ルス電圧を印加し、パルス巾も連続（いわゆる直流連続
電圧＞　　（１００χ）から０．１″Ａまで変化させた
。

すると、例えば直流連続電圧印加の場合、僅か２００■
程度から核融合反応の存在が観察された。

直流のパルス電圧を印加する場合、十分高い電圧である
例えば−３００〜−１０００Ｖ、特に例えば−５００■
とし、さらにこのデユーティ比５０％（１回の周期のう
ち、５０％が電圧を印加し、５０％は電圧をＯとする）
回数を１分間に３０回とすることによって、核融合の程
度を押さえる（制御する）ことが可能となった。

以下に実施例に従って本発明を記す。

「実施例１」 第１図は、本発明を用いた磁場印加可能なマイクロ波プ
ラズマ核融合装置の概要を示す。

図面において、核融合反応容器（１）には大気圧または
減圧保持可能なプラズマ発生用空間（２１）、この反応
空間を取り囲むようにしてその内壁に核融合反応を発生
ぜしめるための材料（２）を有する。

さらに、この核融合反応をさせる材料（２）とその裏側
（外側）には外部に放射線の放出を除き、かつここで媒
体にすべて吸収させるべき熱交換媒体の槽を有する基体
（３）とを含む電極（４）も反応容器内に設けられてい
る。　この媒体は熱交換器（１０）より導入（８）され
、また加熱された媒体が導出（８゛）される。共鳴させ
るためのへルムホルツ型の電磁石（１３）　、　（１３
’　）がドーナツ型を有してこれらを囲んで設けられて
いる。　この電磁石（１３）。

（１３′）と反応容器（１）は加熱しすぎないように水
冷機構を有し、（２４）より水が入り（２４”）より導
出される。マイクロ波電源（６）、反応空間へマイクロ
波エネルギを供給する石英窓（１４）、排気系を構成す
る圧力調整バルブ（１６）、広域ターボ分子ポンプ（１
７）、ロータリーポンプ（１８）を具備する。大気圧で
プラズマを生ぜしめる場合は、バルブ（２５）を開とし
て反応後の気体を排ガス処理装置を通して放出する。電
極（４）には負の直流または負のパルス電圧が印加され
るよう探針（５）との間に電源（７）よりバイアスが印
加されるようになっている。

反応性気体はガス系（９）よりヘリウム（ｌｉｅ）　（
９’　）、重水素（Ｄｚ）（９″）および水素ＣＩ＋□
）が流量計（１２）、バルブ（１１）を介して反応空間
（２１）に導入される。

プラズマ化された重水素が核融合を生ぜしめる材料（２
）上で ｄ　＋　ｄ−＋３ｔｌｅ（０，８２Ｍｅν）＋ｎ（２，
４５ＭｅＶ）の核融合反応をさせることが可能となる。

同時に ｄ　十ｄ　　−＋　　Ｐ（３，０２ＭｅＶ）＋ｔ（１，
０１Ｍｅν）の反応も期待することができる。

さらにこの核融合反応をパラジウム（２）（図面では斜
線の部分）をプラズマ空間の内側表面に有する電極（４
）に対し、直流の負の電圧を加えるが、その程度を大と
すると中性子のカウント数を大きくすることができる。

中性子のカウントはカウンタ（２２）、制御系（２３）
によった。このため、そのカウンタ数は相対値であるこ
とを付記する。

またプラズマ反応と磁場との共鳴関係を第２図、第３図
に示す。

第１図において、磁場は２つのリング上の磁石（１３）
　、　（１３″）ヲ用いたヘルムホルツコイル方式を採
用した。さらに、４分割した空間（５０）に対し電場・
磁場の強度を調べた結果を第２図に示す。

第２図（Ａ）において、横軸（Ｘ軸）は空間（５０）の
横方向（核融合気体の流れ方向）であり、縦軸（Ｒ軸）
は磁石の直径方向を示す。図面における曲線は磁場の等
磁位面を示す。そしてその線上に示されている数字は磁
石（１３°）が約２０００ガウスの時に得られる磁場の
強さを示す。磁石（１３’）の強度を調整すると、電極
・磁場の相互作用を有する２、４５Ｇｌｌｚのマイクロ
波を加えた場合の共鳴空間（８７５ガウス±１８５ガウ
ス以内）で、特に線（３０）が８７５ガウスとなる共鳴
条件を生ずる等磁場面である。

この共鳴条件を生ずる空間（１００）は第２図（Ｂ）に
示す如く、マイクロ波の電場が最大となる領域となるよ
うにしている。第２図（Ｂ）の横軸は第２図（Ａ）と同
じく核融合用気体の流れる方向を示し、横軸は電場（電
界強度）の強さを示す。

第３図は第１図におけるパラジウム電極（２）の位置で
の円形空間の磁場（八）および電場（Ｂ）の等磁場、等
電場の図面である。第３図（Ｂ）より明らかなごとく、
電場は最大２５ＫＶ／ｍにまで達せしめ得ることがわか
った。このことは、核融合を生ぜしめるための重水素原
子またはイオンをパラジウム等の材料の表面またはその
近傍で、きわめて大きな密度で生ぜしめ得ることがわか
る。そしてこの結果、Ｄ９イオンを単なる５００ＫＨｚ
〜５０Ｍｌ１ｚの周波数を用いる高周波放電等に比べて
１００〜ＩＯ４倍も大きく作り得ることがわかる。

「実施例２」 第１図の装置において、マイクロ波は５００Ｍ）ｌｚ〜
５０Ｇ１１ｚ例えば２．４５ＧＨｚの周波数を用い、こ
こに５００〜５０に−例えば２に−を印加した。重水素
（Ｄｔ）を（９”）より２０ｃｃ／分の流量で導入し、
空間（２１）にプラズマが発生するように排気系を調整
し、０６１〜７６０ｔｏｒｒ例えば１０ｔｏｒｒの圧力
とした。

この圧力は、ＥＣＲ（’Ｗ子サイクロトロン共鳴）に用
いられる０、００１〜Ｑ、Ｑｌ　ｔｏｒｒよりもはるか
に高くし、その結果重水素イオンの密度を１０〜１０’
倍も大きくした大きな違いを有する。

すると重水素のイオンまたは原子によりパラジウム（２
）表面の汚物を還元除去された・活性パラジウム（２）
により ｄ　十ｄ　　−＋　　’１ｉｅ（０，８２ＭｅＶ）　＋
ｎ（２，４５ＭｅＶ）の核融合反応をさせることができ
た。

第４図は横軸にエネルギに対応したチャネル、縦軸に中
性子カウンタにおけるカウント数を示す。

繰り返しの測定でバラツキ（上下の巾（３７））は大き
いが、中性子のエネルギに対応する領域では明らかにそ
のカウント数が増加しており、このことより、上式の存
在を確認することができた。

投入マイクロ波エネルギは２ＫＷであった。

この核融合反応の存在を確認するため、このプラズマ反
応系には高純度重水素ガスを導入した。

すると反応系の温度が高くなり、熱交換器（１０）での
水の昇温も室温から６０°Ｃ近くまで観察することが可
能となった。また中性子カウンタ（２２）は明らかにそ
の存在を確認することができた。

さらにこの反応はプラズマを持続させると安定に１５０
０時間近くも核融合反応を持続させることができた。

この核融合がおきていることを逆証明するために、第１
図において（９”’）より水素（＋１２）を導入して同
一実験条件でプラズマ反応を試みた。

この時は中性子の存在は自然界にあるものと同程度しか
なく、その時の中性子のカウント数を第３図曲線（３６
）に示す。これと前記した重水素を用いた実施例のカウ
ント数（３５）とは、差が明白にあり、明らかに核融合
反応が生じていることが確認できた。

またこのカウンタを第１図の位置よりはずし、磁場（１
３°）の外側においた。この場合は第４図の曲線（３６
）とほとんど同じであり、媒体が中性子等の放射線のほ
とんどを吸収しているものと推定される。

「実施例３」 第１図のシステムにおいて、スイッチ（４０）をオンと
し高周波電力を一対の電極で供給するのに加えて、負の
直流バイアスを重ねて加えることができた。このバイア
ス電圧を一５０Ｖ〜−１０００Ｖまで可変しつつ加えた
。

するとこの直流バイアスにより、パラジウム表面への重
水素イオンの衝突する量がより大きくなった。そして重
水素核をより発生させやすくすることができた。

第１図において、バイアス（７）により、バイアス電圧
をより大きく、かつその程度を直流電源を可変すること
により自己制御することが可能となった。この程度に従
って第４図における１００の位置におけるカウント数を
バイアスを加えない場合の平均１００から４００以上８
７０近くまで増加させることができ、明らかに負の外部
バイアスはその効果が著しかった。

「効果」 以上の実施例は単にラボ（実験室）スケールで行ったも
のである。しかしこの規模を１０〜１０００倍とするこ
とにより、実用的な核融合反応を生ぜしめることと、そ
の応用としての核融合が制御可能なエネルギ源とするこ
とが可能となった。また外側を媒体で囲んでいるため、
中性子の外部への発散による人体への影響も避けること
ができる。そのため、工業的にきわめて大きな効果を有
する。

また、反応期待に供給する電力は他の高周波、直流等の
電源を用いる事も可能であるが、マイクロ波を用いた場
合、高密度プラズマを発生することができ、多量のエネ
ルギーを取り出すことが可能であった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のプラズマ核融合反応のシステムを示す
。 第２図はコンピュータシュミレイションによる磁場およ
び電場特性を示す。 第３図は電場−磁場相互作用をさせた位置での磁場およ
び電場特性を示す。 第４図は第１図に示す位置に中性子カウンタを配設した
時のカウント数を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、磁場および電場の相互作用を利用して核融合を行う
   装置であって、大気圧または減圧状態に保持されるプラ
   ズマ発生室、該発生室の内壁にそって配置された核融合
   反応を生ぜしめる材料と、その外側に配設された熱交換
   手段と、前記プラズマ発生室を囲んで設けられた磁場発
   生手段、前記プラズマ発生室にマイクロ波を供給する手
   段とを有することを特徴とするプラズマ核融合装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、内壁にそって配置
   された核融合反応を生ぜしめる材料に負の電圧を印加す
   る手段を有することを特徴とするプラズマ核融合装置。 ３、特許請求の範囲第１項において、前記核融合反応を
   生ぜしめる材料はパラジウムまたはチタンよりなること
   を特徴とするプラズマ核融合装置。