JPWO2019021959A1 - 核融合炉、温熱機器、外燃機関、発電装置、及び移動体 - Google Patents

核融合炉、温熱機器、外燃機関、発電装置、及び移動体 Download PDF

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Abstract

本発明は、簡易で安全な核融合炉を実現することを目的とする。核融合炉は、炉体としての容器と、容器内に収容された重水素を固溶する金属発熱体と、容器内に収容され、かつ、金属発熱体に原子数比で０．００５％から５％の重水素を固溶させることができる量の重水素ガスと、金属発熱体にイオンビームを照射する機構とを備える。これにより、金属発熱体の金属結晶において、イオンビームを格子間原子の原子核に導くチャネリング現象と、連星核モデルで説明される金属内核融合確率増大現象が生じる。その結果、γ線や中性子線が生じない「穏やかな核融合」を生起され、金属内核融合連鎖反応により、核エネルギーを効率的に熱に変換することができる。

Description

本発明は、核融合炉に関し、特に、金属の結晶構造によるチャネリング現象と核融合確率増大現象を利用した核融合炉、及びそれを用いた技術に関する。
従来、核融合炉としては、トカマク型のプラズマ磁場閉じ込め方式の炉が計画されている。また、核分裂を利用した原子炉は、冷却材として水を使用し、蒸気タービンの熱源として用いられ、主に発電に使われている。将来的に、より高温の核分裂炉が実現できた場合には、冷却剤としてヘリウム等の反応性の低いガスを用いて閉回路のガスタービンを運転し、かつ、排熱で蒸気タービンを運転するといったコンバインサイクルの使用が計画されている。これらの蒸気タービンや閉回路のガスタービンは外燃機関であり、スターリングエンジンもその一つである。また、熱源から直接発電する熱電素子を多数組み合わせた熱電モジュール等も知られている。
核融合炉の開発に関して言えば、プラズマ磁場閉じ込め方式の核融合炉は、得られる熱量に比べてプラズマ保持のために投入する電力が大きく、電力収支をプラスにすることは極めて困難である。また、超高温のプラズマを閉じ込める超電導磁石やプラズマと接する内壁材料等、困難な課題が多くあり、未だ実用化の目途は立っていない。
また、核分裂を利用した原子炉に関して言えば、ウランの臨界量が決まっているので、原子炉の小型化には限度がある。しかも、制御棒の出し入れで出力の調整を行うので、制御棒の抜け落ちや作動不良が生じた場合には、制御不能になる虞があるし、冷却水の供給が停止して冷却能が喪失した場合にも制御不能となり、最終的に炉心がメルトダウンに陥る虞がある。また、ウランのような放射性の重原子を燃料としており、核反応によって貫通力の高い中性子線やγ線が大量に放出されるので、厚い防曝壁が必要であり、さらに、処分方法が確立されていない放射性廃棄物が多く発生するという課題もある。
これらに対し、核融合や核分裂の利用に代わる手法の一つとして、いわゆる低温核融合を利用する手法が検討されている。低温核融合に関しては、重水素（２Ｈ）を固溶したパラジウム（Ｐｄ）が発熱する現象が報告されており、例えば特許文献１等の特許出願も多くなされている。また、重水素を固溶したパラジウムを使用した核変換現象も報告されており、その現象を利用したものとして、例えば特許文献２に記載された核種変換装置が提案されている。
特開平２−２９７０９３号公報 特開２０１０−１５９９９４号公報
しかし、低温核融合における上記の現象は、再現性が悪く、低温核融合をエネルギー源として用いる方法や装置は、未だ実用化に至っていない。そこで、本発明者は、簡易で安全な核融合炉を実現することを目的として鋭意研究を行った結果、これらの現象が、金属の結晶構造の核融合確率増大現象による核融合連鎖反応に起因すること、及び、特許文献１で引用されている電解実験における電解液（水酸化リチウム溶液）に含まれるリチウムが発熱現象に寄与していることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、２Ｈ同士の核融合（以下、Ｄ−Ｄ核融合）が生じると、通常、以下の式（Ａ）〜（Ｃ）で表される反応が、コロンの後に記載された確率（％）で進行する。
（Ａ）２Ｈ＋２Ｈ→３Ｈ（１MeV）＋１Ｈ（３MeV） ：５０％
（Ｂ）２Ｈ＋２Ｈ→３Ｈｅ（０．８MeV）＋ｎ（２．５MeV） ：５０％
（Ｃ）２Ｈ＋２Ｈ→４Ｈｅ＋γ（２３．８MeV） ：１０−５％
ここで、式（Ａ）〜（Ｃ）において、１Ｈは軽水素を表し、３Ｈはトリチウムを表し、３Ｈｅは質量数３のヘリウムの原子核を表し、これらは高エネルギーのイオンビームとして生成される。また、ｎは中性子を表し、γはγ線を表す。通常のＤ−Ｄ核融合が生じると、貫通力の高い中性子が多く放出されることになる筈であるが、実際のところ、上記のようなパラジウムを使った電解実験において、発熱に対して微量の中性子が観測された例がある程度である。
これらの現象が核融合連鎖反応によるものと主張する場合の最大の課題は、反応核断面積が最大でも０．１ｂ程度と小さいことである。しかも、原子核がイオンビームとなって物質内を進む際には、原子核は電荷を有するので、物質側の電子や原子核の影響による阻止能を受けて減速されてしまい、１０μｍオーダーの距離しか進むことができない。従って、これらの理由により、これまでのところ、核融合連鎖反応が生じる可能性は、理論的な検討段階で排除されてきた。
ところが、結晶構造の特性の一つとして、イオンビームの進行方向を、物質の結晶面の間や結晶軸方向の疎の部分に拘束するチャネリング現象が知られている。例えば、特開平５−３４３３４４号公報には、半導体製造におけるイオン注入時にイオンが深く入りすぎないように、チャネリング現象を防止する方法が記載されている。このように金属を含む結晶固体内では、チャネリング現象によりイオンビームが格子間原子の原子核が存在する部分に集中する性質がある。
これとは別に、結晶構造を有しない液体金属を含む金属にイオンビームを照射すると、通常より核融合確率が増加する金属内核融合率拡大現象が確認されている。この現象は、本発明者が提唱する連星核モデルで説明することができる。
すなわち、イオンビーム核と格子間原子の原子核は、互いにプラスの電荷を有するのでクーロン斥力が働くが、１４０ｆｍ程度まで近づくと、核力がクーロン斥力よりも優位となって両者が引き合うので、互いに旋回し合うことがある。ところが、真空中や非金属中では、両者が核力で引き合って旋回し始めたとしても、エネルギーが保存されるので、両者は必ず離脱してしまう。一方、金属内では、荷電粒子である原子核が旋回することによって放出される磁力線を自由電子が吸収するので、両者が離脱できずに連星核が形成され得る。一旦連星核が形成されると、荷電粒子の旋回により電磁波を放出し続けるので、旋回の運動エネルギーは徐々に失われ、両原子核の距離が更に徐々に近づき、最終的には核融合が生起される。
このように、連星核モデルによれば、反応断面積の大きさを核力圏の大きさに近づけることができるので、チャネリング現象と合わせて、反応核断面積が小さすぎることに起因していた問題を解決することができる。また、連星核の形成から核融合に至るまでの過程で、核融合エネルギーの大半が熱に変換されるので、中性子や強力なγ線が放出されない「穏やかな核融合」を実現することができる。
ここで、水素を固溶しやすい性質を有する金属としては、Ｌｉ，Ｓｃ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｐｄ等が知られている。これらの金属は、温度が高くなるほど平衡重水素圧が高くなるので、同じ圧力下では温度が上がると重水素をガスとして吐出する。
これらの金属のうち、Ｐｄは、２９８℃以下で水素固溶濃度の低いα相と水素固溶濃度の高いα’相に分かれることがＰｄ−Ｈ状態図等で知られている。また、Ｐｄは、大気圧の重水素ガス中では、１６０℃以下で上記２相に別れ、このときのα相の水素濃度は原子数比で５％ 以下であり、α’相の水素濃度は原子数比で５０％ 以上である。
なお、常温では水素を固溶し難いものの、温度が高くなるほど平衡重水素圧が低くなる性質を有し、温度が上がればある程度重水素を固溶する金属としては、Ｍｇ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｆｅ，Ｒｕ，Ｃｏ，Ｒｈ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ｃｕ，Ａｕ等が知られている。
また、一般に、イオンビームを照射するには、イオン加速器を用いるか、粒子ビームを放射する放射性同位体を使用する方法が挙げられる。粒子ビームとしては、α粒子、電子、中性子や陽子等の粒子ビームが挙げられ、これらのうち、陽電子を除くプラスの電荷を有する粒子ビームは、水素やヘリウム等の軽い原子核が高エネルギーを得たものである。例えば、陽子線、重陽子線、及びα線は、それぞれ、水素、重水素、及びヘリウムの各原子核（以下、それぞれ１Ｈ、２Ｈ、及び４Ｈｅと表記する。）がイオンビーム化されたものである。
そこで、本開示に係る核融合炉の一例は、炉体としての容器と、容器内に収容された重水素を固溶する金属発熱体と、容器内に収容され、かつ、金属発熱体に原子数比で０．００５％から５％の重水素を固溶させることができる量の重水素ガスと、金属発熱体にイオンビームを照射する機構とを備える。なお、金属発熱体の金属には、結晶構造を有しないアモルファスや液体金属は含まれない。かかる構成を有する核融合炉は、重水素を固溶した金属発熱体が何等かの形でイオンビームの照射を受けることにより起動し発熱する。
イオンビームを照射するもの（機構）としては、特に制限されず、イオン加速器が代表的なものとして挙げられ、それ以外にも粒子ビームを放射する放射性同位体や、α崩壊により強いαイオンビームを放射するものとして２１０Ｐｏ等が挙げられる。また、さほど大きな線量を必要としない場合には、比較的安価な劣化ウランを含む合金やアメリシウム（２４１Ａｍ）等の金属を薄板にして金属発熱体に隣接させることは、安全性が高く再利用が可能で合理的である。さらに、別のイオンビームを照射するものとして、α線量が微量になるが、一般に流通しているものとしては、ウランガラスや溶接用トリウム入りタングステン電極棒等が挙げられる。
また、金属発熱体の一部を容器の表面に露出させたイオンビーム導入口も、「前記金属発熱体にイオンビームを照射する機構」に該当する。すなわち、このイオンビーム導入口にイオンビームを照射することにより、金属発熱体にイオンビームを照射することができる。この場合、当該イオンビーム導入口に開閉式の蓋を設けると好適である。これにより、重水素がイオンビーム導入口から拡散してガスとして大気に放出されてしまうことを抑止することができる。さらに、イオンビーム導入口にイオンビームが透過する程度の厚さの重水素不透過層（重水素拡散防止層）を設けるようにしても、同様の効果が奏されるので好適である。重水素不透過層を構成する物質としては、Ｆｅ，Ｃｕ，Ｗ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ａｌ等の金属や粘土結晶等の無機材料等が挙げられる。
また、上記構成において、前記金属発熱体は、前記イオンビームの供給を受ける部分又は全体に原子数比で０．０００５％から１％のリチウムを固溶させたものであってもよい。
また、上記構成において、前記金属発熱体は、前記リチウムを固溶させた部分が前記重水素ガスに対面しており、前記重水素ガスに、前記イオンビームを放射する物質が混入されていてもよい。イオンビームを放射する気体としては、例えばα線を発する反応性の低いガスが挙げられ、より具体的にはラドンガスを例示することができる。なお、ラドンガスは大気や新しい建築物に含まれているので、ラドンガスを意識的に重水素ガスに混入させなくても、例えば大きい炉を製作することは、「重水素ガスにイオンビームを放射する物質を混入」することに含まれる。
また、上記構成において、前記イオンビームを放射する物質が取り付けられた設置台を備え、前記金属発熱体が載置された場合に、前記イオンビームを放射する物質が前記リチウムを固溶させた部分に隣接するように構成してもよい。
また、上記構成において、前記リチウムがリチウムの同位体である６Ｌｉを主として含む（６Ｌｉを主体とする）リチウムであってもよい。
また、上記構成において、前記金属発熱体隣接され、かつ、核変換が施される物質を含む（例えば植え込んだ）金属を備えてもよい。
また、上記構成において、前記金属発熱体における重水素の固溶量を調整する装置を備えてもよい。重水素の固溶量を調整する装置としては、例えば、重水素ガスの圧力調整装置やマスフローコントローラ等が挙げられる。
また、上記構成において、前記金属発熱体は、温度が高くなるほど平衡重水素圧が高くなる金属であり、前記重水素の固溶量を調整する装置は、前記金属発熱体が最も活発に核融合を生起する固溶量よりも少ない固溶量に調整するようにしてもよい。
また、逆に、前記金属発熱体は、温度が高くなるほど平衡重水素圧が低くなる金属であり、前記重水素の固溶量を調整する装置は、前記金属発熱体が最も活発に核融合を生起する固溶量よりも多い固溶量に調整するようにしてもよい。
また、上記構成において、前記金属発熱体は、当該金属発熱体の内部に形成された連通気孔を有してもよい。連通気孔は金属発熱体の内部にほぼ均一に分布することが好ましく、また、連通気孔の端部は金属発熱体の表面に開放されている必要がある。
また、上記構成において、前記重水素ガスに、前記金属発熱体の冷媒としてのヘリウムガスが混入されていてもよい。
また、上記構成において、前記重水素ガスからヘリウムを除去する装置を備えてもよい。
また、本開示に係る核融合炉の他の一例は、一の冷却媒体の流れ方向に上記各構成の核融合炉が直列に複数配置される。
また、本開示に係る温熱機器の一例は、上記各構成の核融合炉が熱源として用いられる。この場合、加熱対象物が収容又は流通され、かつ、前記核融合炉において発生した熱が前記加熱対象物に伝達されるように設けられた空間を有してもよい。
また、本開示に係る外燃機関の一例は、上記各構成の核融合炉が熱源として用いられる。この場合、作動媒体を含む高温部を備え、前記高温部における作動媒体が前記核融合炉において発生した熱によって加熱されることにより動力を生じるように構成してもよい。
また、本開示に係る発電装置の一例は、上記各構成の核融合炉が熱源として用いられる。この場合、当該核融合炉において発生した熱を電力へ変換する熱電変換部を備え、前記核融合炉において発生した熱によって前記電力を生じるように構成してもよい。また、前記核融合炉において発生した熱を動力に変換する外燃機関を備え、当該外燃機関の動力を電力へ変換する発電機を備え、前記核融合炉において発生した熱によって前記電力を生じるように構成してもよい。
また、本開示に係る移動体の一例は、上記各構成の核融合炉を熱源として用いた外燃機関が動力源として用いられる。
また、本開示に係る移動体の他の一例は、上記各構成の核融合炉を熱源として用いた発電装置が電力源として用いられる。
本発明による核融合炉の作動及び効果について、以下、金属発熱体がαイオンビームの照射を受けた場合を一例として説明する。
金属発熱体は、結晶構造を有しているのでチャネリング現象が生じ、これにより、αイオンビームは、金属発熱体の結晶面の間に偏向し、金属発熱体に固溶している格子間原子である重水素の原子核に正確に導かれる。αイオンビームのエネルギーは大きいので、格子間原子として固溶している重水素の原子核のクーロン障壁を超えてその原子核に近づき、これらの原子核を核力で引き回して、金属発熱体の内部でイオンビーム化する。生成された２Ｈイオンビームは、同様にチャネリング現象により、格子間原子である重水素の原子核に導かれるので、エネルギー量が適当であれば、２つの２Ｈ核が互い連星のように旋回し合う連星核を形成する。なお、生成される２Ｈイオンビームのエネルギーが小さすぎる場合には、重水素の原子核のクーロン障壁を超えることができず、逆に生成される２Ｈイオンビームのエネルギーが大きすぎる場合には、２Ｈの核力で捕らえることができずに連星核は形成されない可能性が高い。
こうして形成された連星核は、その連星核を形成する以前の２Ｈイオンビームが有する運動量と同じ運動量を有するので、同じチャネリング路を通るイオンビームになる。その一方で、連星核はプラスの電荷を有する２Ｈ核が同一方向に回転しているので、磁力線を放出する。そのため、連星核が金属中を進む場合、渦電流が生じて強い阻止能が働く。その結果、金属発熱体中の２Ｈ濃度が低ければ、連星核は２Ｈ核に衝突することなく停止し、連星核のまま周囲の電子を取り込んで疑似原子として金属発熱体の結晶構造における格子間に収まる。連星核を構成する荷電粒子である重水素の２つの原子核は、互いに核力による加速を受け続けることになるので、制動輻射により徐々にエネルギーを失って徐々に接近し、最終的に、それらの２つの重水素の原子核が衝突して核融合を生じる。
このときの核融合は、重水素の原子核が制動輻射等により既にエネルギーの一部を失っているので、上記式（Ａ）や式（Ｂ）の反応は生起されず、式（Ｃ）に相当する反応が優先的に生起され、その結果、４Ｈｅが生成される。この場合、残るエネルギーもほとんど旋回するための運動エネルギーに変換されており、また、核融合を生じたときに、この運動エネルギーはフォノンとして放出されるので、式（Ｃ）の反応によって放出されるγ線のエネルギーは低い。このとおり、金属発熱体は、連星核形成から核融合までの間に、渦電流、制動輻射、及びフォノンを受けて加熱される。つまり、重水素の原子核同士の反応が連星核形成を経由することにより、透過力の高い中性子線や高エネルギーのγ線が放出されることなく、熱エネルギーを効率良く取り出すことができる下記式（１）で表される「穏やかな核融合」を実現することができる。
２Ｈ＋２Ｈ→４Ｈｅ …（１）
それから、かかる核融合で生成された４Ｈｅがそのまま格子間原子となり金属発熱体における結晶構造中に蓄積され、その４Ｈｅ原子核に２Ｈイオンビームが導かれると、前述した連星核の形成メカニズムと同様にして、重水素の原子核とヘリウムの原子核による連星核が形成され、下記式（２）で表される「穏やかな核融合」が生じて６Ｌｉが生成される。
２Ｈ＋４Ｈｅ→６Ｌｉ …（２）
さらに、かかる核融合で生成された６Ｌｉがそのまま格子間原子となり金属発熱体における結晶構造中に蓄積され、その６Ｌｉ原子核に２Ｈイオンビームが導かれると、前述した連星核の形成メカニズムと同様にして、重水素の原子核とリチウムの原子核による連星核が形成される。こうして形成された連星核が核融合を生じると、不安定核である８Ｂｅ核は形成されず、核融合が生じると同時に下記式（３）で表される反応により、２つのα核に分かれる。このとき、連星核が有していた旋回の運動エネルギーは、生成されたαイオンビームの運動エネルギーになる。
２Ｈ+６Ｌｉ→４Ｈｅ（６．２ＭｅＶ）＋４Ｈｅ（６．２ＭｅＶ） …（３）
なお、上記式（３）の反応においては、質量変化から計算すると、各αイオンビームのエネルギーは１１．２ＭｅＶとなるが、核融合を起こすまでに制動輻射により連星核のエネルギーの一部が失われているので、各αイオンビームのエネルギーは、計算値よりも低い６．２ＭｅＶ程度のエネルギーになる。
こうして新たに生成されたαイオンビームは、再びチャネリング現象により格子間原子の原子核に導かれ、多数のイオンビームが発生するので、上記式（１）から（３）の連鎖反応が生じる。このように、式（１）から、（３）で表される金属結晶内核融合連鎖反応では、強いγ線や中性子線が発生せずに、金属発熱体の発熱として核融合エネルギーを効率的に取り出すことができる。
そして、本発明による核融合炉は、上述のとおりチャネリング現象を利用しているので、何らかの異常で温度制御が不能となり温度が過度に上昇した場合でも、金属発熱体の金属の溶解前に結晶格子が崩れることにより、チャネリング現象による核融合が生じなくなる。よって、金属発熱体のメルトダウンは原理的に生じ得ないし、結晶構造を失って液体金属化した金属が更に加熱されることもない。また、照射されたイオンビームや金属発熱体の内部で発生したイオンビームを、金属発熱体の結晶構造により保持するので、磁場を保持する電力や装置が不要になり、さらに、強いγ線や中性子線が発生しないので防曝壁が簡易なもので済むとともに、放射性廃棄物の発生もないといった利点がある。
本発明による核融合炉においては、上記式（１）から（３）で表される連鎖反応が継続して進行するために、金属発熱体がチャネリング現象を生じやすいものであると好適である。この観点より、金属発熱体としては、原子密度が高く比重が大きいものが有利であり、同じ金属であれば格子欠陥の少ないものの方が有利である。また、金属発熱体としては、チャネリング現象を受けたイオンビームが通過するチャネリング路に格子間原子が存在するｆｃｃかｂｃｃの結晶構造を有する金属が望ましい。さらに、金属発熱体におけるチャネリング現象は、格子間原子の重水素原子数が少ない方ほど生じ易いものの、その原子数が過度に少なすぎると、イオンビームは格子間の原子核に到達する前に運動エネルギーを失い、核融合が生じなくなってしまう傾向にある。従って、上記式（１）から（３）で表される連鎖反応が継続するためには、金属発熱体の固溶重水素量を適切に調整する必要がある。
上記式（１）から（３）で表される反応により連鎖反応が生じるためには、式（３）の反応で生成された２つの６．２ＭｅＶの４Ｈｅイオンビームが、金属発熱体（例えばＰｄ）内を移動する間に出会った２Ｈ核をイオンビーム化し、さらに、その２Ｈイオンビームが金属移動体内を移動する間に、連星核を形成することができるエネルギーを有した状態で２Ｈ、４Ｈｅ、及び６Ｌｉ核に出会わなければならない。そうすると、２Ｈ核をイオンビーム化するためのエネルギーは不明であるが、６．２ＭｅＶの４Ｈｅイオンビームが金属発熱体としての例えばＰｄ内を移動することができる距離は１７μｍ程度であるので、１つのチャネリング路の約５．５μｍあたりに１つの２Ｈ核が存在することが必要とされる。
ここで、Ｐｄの結晶格子に重水素が入り込むことができるＯサイト間の距離は２．７５Åであるので、金属発熱体中には原子数比で０．００５％以上の２Ｈが存在しなければならないことになる。また、重水素濃度が原子数比で５％を超えてしまうと、Ｐｄは、大気圧の重水素ガスの中では１６０℃以下で２相に別れてしまい、結晶が不連続になる上、内部応力の発生により結晶構造が歪むため、チャネリング現象が生起しなくなる傾向にある。従って、本発明による核融合炉においては、金属発熱体の重水素濃度は原子数比で０．００５％から５％の範囲である必要がある。
このような濃度で重水素を固溶した金属発熱体がイオンビームの供給を受け続けると、やがて４Ｈｅと６Ｌｉが蓄積され、金属発熱体におけるイオンビーム供給を受けた部分から発熱が始まり、金属発熱体全体が徐々に発熱するようになる。
また、金属発熱体のイオンビームの照射を受ける部分に原子数比で０．０００５％から１％のリチウムを固溶させると、簡易なイオンビーム供給装置で速やかに連鎖反応を生じさせることができるので好適である。
ここで、上記式（３）の反応で生成された６．２ＭｅＶのエネルギーを有する４Ｈｅのイオンビームが２Ｈイオンビームを生成し、そのうちの１つの重水素原子核がリチウム原子核と連星核を形成する確率が５０％以上であれば、連鎖反応を生起させることができる。よって、リチウムとしては、重水素の必要下限濃度（前述した０．００５％）の半分である０．００２５％以上の濃度で金属発熱体に含まれることが好ましい。ただし、リチウムは、連鎖反応の起動に必須なものではないことを考慮すると、イオンビームの照射を受ける部分に最低限０．０００５％のリチウムを固溶させることにより、連鎖反応の起動を早める効果が奏され得る。また、リチウムの原子核の電荷は２Ｈ核の３倍であり、金属発熱体に固溶した場合の結晶格子の歪が大きいことを考慮すると、リチウムがチャネリング現象を妨げる効果は重水素の５倍程度になる。そのため、連鎖反応を生じせしめるには、リチウムの濃度としては、重水素の必要上限濃度（前述した５％）の１/５程度であることが好ましい。以上に鑑みると、リチウム濃度が原子数比で０．０００５％から１％の範囲であると好適である。
さらに、自然界のリチウムには６Ｌｉと７Ｌｉの２つの同位体存在し、６Ｌｉの存在比は７．５％であり、残りは７Ｌｉである。かかる天然の同位体存在比を有するＬｉを固溶させた部分にイオンビームを照射し、金属発熱体内部において２Ｈイオンビームが発生すると、６Ｌｉに対しては上記式（３）の反応が生起され、７Ｌｉに対しては下記式（４）で表される反応が生起される。この式（４）の反応で生成された５Ｈｅは速やかに崩壊し、下記式（５）で表される反応のとおり中性子を放出して４Ｈｅに壊変する。
２Ｈ＋７Ｌｉ→４Ｈｅ（７．９ＭｅＶ以下）＋５Ｈｅ（６．３ＭｅＶ以下） …（４）
５Ｈｅ→４Ｈｅ（０．１８ＭｅＶ）＋ｎ（０．７１ＭｅＶ） …（５）
５Ｈｅの崩壊は非常に短時間で起きるので、当該崩壊により生成された４Ｈｅは、式（４）の反応で５Ｈｅが得た６．３ＭｅＶ以下のエネルギーをほぼそのまま受け継ぐ。このように、７Ｌｉの反応においても中性子が放出されるが、６Ｌｉの反応と同様に２つのαイオンビームが生成されるので、７Ｌｉも連鎖反応の継続へ寄与し、その寄与の程度は６Ｌｉと同等である。
こうしてＬｉが関与する反応で生じたこれらのαイオンビームは、重水素の原子核にクーロン障壁を超えて近づき、２Ｈ原子核を核力で引き回して、金属発熱体の内部でイオンビーム化する。生成された２Ｈイオンビームは式（１）の反応を生じさせ、αイオンビームの方は、エネルギーを失って停止することにより、格子間原子の４Ｈｅとして金属発熱体内に蓄積される。４Ｈｅが蓄積されれば、上記式（２）の反応も活発化して６Ｌｉが生成される。
つまり、本発明による核融合炉において、金属発熱体にリチウムが固溶した構成では、金属発熱体のＬｉが固溶した部分にイオンビームを照射することにより、速やかに上記式（１）から（３）による連鎖反応が起動する。そして、イオンビームの照射を受けた部分から順次４Ｈｅと６Ｌｉが蓄積していくことにより、金属発熱体全体が発熱を開始することになる。
ここで、金属発熱体にリチウムを固溶させる方法としては、金属発熱体にリチウムをイオンビームとしてドープする方法や、リチウムイオンの入った溶液を電解し陰極側の金属のその表面からリチウムを含侵させる方法が挙げられる。また、他の方法として、金属発熱体の表面に真空中で固体リチウムをこすりつけたり、液体リチウムを流したりして、リチウムを金属発熱体に付着させ、その後熱処理を施して内部に拡散させる方法を適用することもできる。
また、本発明による核融合炉において、金属発熱体のリチウムを固溶させた部分を重水素ガスに面するようにし、その重水素ガスにイオンビームを放射する物質を混入するようにしても、上記式（１）から（３）による連鎖反応を起動させることができる。
また、「重水素ガスにイオンビームを放射する物質」としては、例えば、大気や新しい建築物に含まれるラドンガスが挙げられ、大きい炉ほど重水素ガスにラドンガスが混入する可能性が高い。また、宇宙線には陽子線等の超高エネルギーを有する粒子が時折混じり、かかる粒子が大気圏に突入すると、大気中の原子と衝突して高エネルギーの粒子ビームが生成されることがある。この場合、特にラドンガス等を重水素ガスに混入しなくても、粒子ビームが、金属発熱体におけるリチウムを固溶させた部分に供給されるので、核融合炉は、金属発熱体における重水素濃度等の条件を満たせば自然に発熱を開始する。
また、後述のとおり、金属発熱体は核変換機能を備えるので、生成された６Ｌｉが更に重い核子に変換されたり、格子間原子として入り込んだ金属原子が核変換されたりして不純物原子が蓄積されるので、金属発熱体の交換がいずれは必要になる。
そこで、本発明による核融合炉が、前記金属発熱体を置いた場合に、当該金属発熱体におけるリチウムを固溶させた部分に隣接する位置にイオンビームを放射する物質が取り付けられるように設けられた設置台を備えると、金属発熱体の交換が容易になり、また、金属発熱体が複数の場合にも全て同時に起動させ易くなるので好適である。
上記のように、金属発熱体の一部に固溶させるリチウムとして自然界のリチウムを用いても核融合炉の始動は可能である。しかし、自然界のリチウムは７Ｌｉが主体で、微量とはいえ、上記式（５）に示すように貫通力の高い中性子線が放出されるので、取り扱い上の注意が必要になる。そこで、本発明による核融合炉で用いるリチウムが、６Ｌｉを主として含むリチウムであると、中性子線の発生を極力低減して取扱いが容易になる。この場合、本発明による核融合炉は、特に防曝壁の厚みを確保し難い小型の炉として有利である。
また、本発明による核融合炉が、前記金属発熱体に核変換が施される物質を含む（例えば植え込んだ）金属（以下「母材金属」と言う。）を隣接させたものであると、核変換機能を発現することができる。すなわち、金属発熱体に母材金属を隣接させることにより、上記連鎖反応で生成されるαイオンビームのヘリウム原子核と、核変換が施される物質の原子核が核融合して核変換が生起される。核変換が施される物質（被核変換物質）を金属発熱体自体に含めて（植え込んで）しまうと、連鎖反応が抑制されてしまうおそれがあるので、母材金属を金属発熱体に隣接されることが有用である。
ここで、母材となる金属は、金属発熱体と同じ金属でもよいし異なる金属でもよい。また、核変換が施される物質は、αイオンビームが２ＭｅＶ程度しかエネルギーを失わずに通過する距離（連鎖反応が生じる部分から数μｍ以下）に存在する必要があるので、母材金属の厚さは、その距離よりも薄くすることが好ましい。さらに、母材金属において核変換が施される物質を「植え込む」形態とした場合、核変換が施される物質を、イオンビームが当たり易いように原子単位で分散させ、母材金属の格子間原子とすることができるので好適である。核変換が施される物質が母材金属と化合物を形成したり、集積したりする性質を有する場合には、核変換が施される物質を母材金属にイオンビームとして注入することができる。
また、核変換が施される物質としては、例えば、長期間放射線を放出し続ける核種で、融点が核融合炉内の温度より高い９９Ｔｃや９３Ｚｒが挙げられる。これらは、下記式（６）及び（７）で表される反応により、１０３Ｒｈや９７Ｍｏといった安定核種に核変換される。
４ ２Ｈｅ＋９９ ４３Ｔｃ→１０３ ４５Ｒｈ …（６）
４ ２Ｈｅ＋９３ ４０Ｚｒ→９７ ４２Ｍｏ …（７）
また、本発明による核融合炉が、前記金属発熱体の重水素の固溶量を調整する装置を備えると、金属発熱体の重水素固溶量を制御することができるので、出力制御が可能な核融合炉を実現することができる。この場合、金属発熱体として、温度に対して平衡重水素圧が変化する性質を有する金属を使用することができる。このとき、格子間原子である２Ｈの数が少なくなると反応が抑制される特性であれば、重水素の固溶量を減らすことにより出力を抑制することができ、逆に、格子間原子である２Ｈの数が増えると反応が抑制される特性であれば、重水素の固溶量を増やすことにより出力を抑制することができる。
また、金属発熱体のイオンビームの供給を受ける部分又は全体に少量のリチウムを固溶させた場合、始動時には４Ｈｅの蓄積がないので、格子間原子の量が少なく反応が活発になり易い。そこで、始動時には金属発熱体の重水素固溶量を調整して反応を抑制する一方、４Ｈｅの蓄積が増えるにつれて、金属発熱体の重水素固溶量を反応が活発になるように調整することにより、安定した出力を得ることができる。
より具体的には、温度が高くなるほど平衡重水素圧が高くなる金属を前記金属発熱体として使用し、重水素の固溶量を調整する装置により、金属発熱体が最も活発に核融合を生起する固溶量よりも少ない固溶量に調整することで、温度が上がると重水素を吐出する反応が抑制されるので、自己調整機能が発現する。また、例えば重水素の固溶量を調整する装置が重水素ガスの圧力調整装置の場合、同じ圧力下での金属発熱体の温度が高い場所ほど反応が抑制されるので、金属発熱体の温度を好適に均一化することができる効果が奏される。
逆に、温度が高くなるほど平衡重水素圧が低くなる金属を前記金属発熱体として使用し、重水素の固溶量を調整する装置により、金属発熱体が最も活発に核融合を生起する固溶量よりも多い固溶量に調整することで、温度が上がると重水素を吸収し、チャネリング現象が生じ難くなって反応が抑制されるので、自己調整機能が発現する。その結果、上記と同様に、金属発熱体の温度を好適に均一化することができる。
また、本発明による核融合炉において、前記金属発熱体の内部に連通気孔が形成されていると、金属発熱体の表面積が増大し、拡散により４Ｈｅガスの排出を促すことができるので好ましい。上記の核融合連鎖反応により４Ｈｅが生成されるが、反応が進んで過剰になった４Ｈｅが格子欠陥としてチャネリング現象を妨げ得るので、核融合連鎖反応が抑制されてしまう。また、４Ｈｅは２Ｈに比べると拡散速度が遅く、金属発熱体内に滞留し易い。従って、金属発熱体の内部に連通気孔が形成されることにより、金属発熱体内の連鎖反応を活発化させ、発熱量を高く保つことができる。
また、本発明による核融合炉において、前記容器の中に入れる重水素ガスにヘリウムガスを混入し、そのヘリウムガスを前記金属発熱体の冷媒として用いると、金属発熱体が重水素ガスの供給を受けると同時に冷却される混合ガス炉を実現することができるので好適である。この場合、上記のように、金属発熱体においては重水素ガスが消費されて生成されたヘリウムガスが放出されるので、容器内の重水素ガスにヘリウムガスが混合され、その結果、重水素ガスの分圧は減少する。
また、本発明による核融合炉において、前記容器内の重水素ガスからヘリウムを除去する装置を備えると、重水素ガスから過剰なヘリウムガスを除去することができ、発熱量を高く保ち続けることができる核融合炉が実現するので好適であり、上記混合ガス炉に適用しても有効である。
また、本発明による核融合炉が、一の冷媒に対して、重水素の圧力を調整する装置を備えた核融合炉を流れ方向に直列に複数配置した核融合炉であると、個々の核融合炉のそれぞれの重水素固溶量を個別に制御することができるので好ましい。この場合、冷媒が核融合炉と順に熱交換を行うことで、冷媒の温度が上昇して行くので、個々の核融合炉の温度を段階的に高くなるように調整することにより、負荷が均等化され、核融合炉全体としての出力を高めかつ長寿命化を達成することができる利点がある。
本発明による核融合炉を熱源として用いた温熱装置は、中性子やγ線のような貫通力の高い放射線の発生量が極めて少なく遮蔽が簡易で済み、操作が容易であり、メルトダウンの危険がなく、残留放射性物質を低減することもできる。これにより、従来の原子炉と異なり、簡易化及び小型化が容易であり、工業プラントの熱源、発電用熱源、動力用熱源や家庭用の熱源等の各種温熱装置として利用することができる。
本発明による核融合炉を熱源として用いた外燃機関は、炉体の小型化が可能であり、スターリングエンジン等の小型の外燃機関の熱源として利用することができる。また、耐熱性の高い材料を使用することにより、高温の熱源とすることができ、気水分離器のない貫流ボイラーを使用した蒸気タービンや、ヘリウムガスを冷媒としたコンバインサイクル等、これまでの沸騰水型を中心とした原子炉よりも熱効率が高い外燃機関として利用することができる。
本発明による核融合炉を熱源として用いた発電装置は、金属発熱体が例えばコインサイズでも発熱するので、熱電モジュール等と組み合わせることにより、超小型の発電装置として利用することができる。
また、本発明による核融合炉は、上述のとおり、小型化が可能であり、負荷変動にも対応が容易なので、負荷変動のある移動体の動力用熱源としても適している。従って、本発明による外燃機関を動力源として用いた移動体は、一般船舶、一般車両やロボット等、大型から小型のものまで含めた移動体として利用可能である。
さらに、本発明による発電装置を電力源として用いた移動体は、簡易化及び小型化が容易なので、一般船舶、一般車両やロボット等の小型の移動体にも利用可能である。従って、従来の原子炉を熱源とした発電機を搭載した移動体が実質的に軍用の船舶に利用されているだけであるのに比べ、本発明による発電装置を電力源として用いた移動体はその利用範囲が広いと言える。
温熱マグカップの部分断面図（実施例１） 発電装置の正面図（実施例２） 発電装置の側面図（実施例２） ロボットの正面図（実施例２） 貫流ボイラーの正面図（実施例３） 貫流ボイラーの側断面図（実施例３） 貫流ボイラーの正面拡大部分断面図（実施例３） 貫流ボイラーの核融合炉における重水素圧制御システム図（実施例３） 貫流ボイラーを用いた発電装置のシステム図（実施例３） 貫流ボイラーを搭載した船舶の駆動システム図（実施例３） 高温ガス炉の正面図（実施例４） 高温ガス炉の左側面図（実施例４） 高温ガス炉の底面図（実施例４） 高温ガス炉のイオンビーム導入口の周辺部分の拡大断面図（実施例４） 高温ガス炉の重水素圧制御システム図（実施例４） 高温ガス炉を用いた発電装置のシステム図（実施例４） 高温ガス炉を用いた発電装置を搭載した船舶の駆動システム図（実施例４） 混合ガス炉の正面断面図（実施例５） 混合ガス炉の平面断面図（実施例５） 混合ガス炉における金属発熱体の平面図（実施例５） 混合ガス炉における金属発熱体の部分拡大断面図（実施例５） 混合ガス炉を用いた発電装置のシステム図（実施例５） 混合ガス炉における金属発熱体の他の一例の部分拡大図（実施例６） 混合ガス炉における金属発熱体の更に他の一例の部分拡大断面図（実施例７） 発電装置の側面図（実施例８） 発電装置の正面断面図（実施例８） 発電装置における核融合炉の平面断面図（実施例８） 発電装置における熱電モジュールの斜視図（実施例８） 発電装置の部分開放平面図（実施例８）
以下、本発明を実施するための形態（以下「本実施形態」という。）について実施例を用いて詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
図１は、本発明の一実施形態に係る核融合炉を熱源として用いた温熱機器の一例の部分断面図である。温熱機器としての温熱マグカップ１００は、断熱層１１０が設けられた保温型のマグカップの底に取り付けられた核融合炉１を備える。核融合炉１においては、温熱マグカップ１００の内側槽と外側層の間に設けられた炉体としての容器４の内面に、金属発熱体としてのパラジウム板２が貼り付けられている。これにより、温熱マグカップ１００に収容された温飲料１３０に熱が伝わり易くされている。また、パラジウム板２の下面側には微量の６Ｌｉが固溶されている。
かかる構成を有する温熱マグカップ１００においては、核融合炉１内に重水素と微量のラドンの混合ガス３Ｒが大気圧よりも低い圧力で封入されることにより、核融合炉１が発熱を開始する。よって、出荷時に核融合炉１内に混合ガス３Ｒを入れておく場合には、マグカップ１００全体を断熱材で包んだ状態で出荷することが望ましい。また、パラジウム板２は、温度が下がるほど重水素ガスを取り込む傾向にあるので、温度が下がって核融合連鎖反応が活発化して発熱量が増えることにより、温飲料１３０を安定した温度に保つことができる。なお、核融合炉１は熱源であって、それ自体、「温熱機器」の一例に相当するといえる。
図２及び図３は、それぞれ、本発明の一実施形態に係る核融合炉を熱源として用いた外燃機関及び発電装置の一例の正面図及び側面図である。なお、図３における断面部分は、図２のＺ−Ｚ断面を示し、図２における断面部分は、図３のＹ−Ｙ断面を示す。発電装置６０Ａは、核融合炉１を備えた外燃機関としてのγ型スターリングエンジン２００を用いたものである。また、発電装置６０Ａは、核融合炉１を熱源として用いる点において、「温熱機器」の一例に相当するともいえる。
本実施例において、核融合炉１は、スターリングエンジン２００の高温室を構成しており、容器４の中で熱交換ピストン２４２が上下動することにより、高温室の内容積が変化する構造を有している。また、スターリングエンジン２００の作動ガスとして、ヘリウムと重水素の混合ガス３Ｃが高温室内に入れられる。本実施例の核融合炉１は、混合ガス３Ｃが核融合炉１における金属発熱体としてのタンタル板２に重水素を供給するとともに冷却も行うことにより、混合ガス炉６００として機能する。さらに、タンタル板２は、容器４の一部４Ｂに一体化された４つの支持アーム４ａにより、４つのイオンビーム放射物質であるウランガラス２０を介して、容器４の蓋４Ｃ側に弾性的に押し付けられて（付勢されて）いる。タンタル板２の上面側には、微量の６Ｌｉが固溶されており、ウランガラス２０は、意図的に下面側にウランが重力偏析するように製造されている。このとおり、容器４は「高温部」の一例にも相当し、混合ガス３Ｃは「作動媒体」の一例にも相当する。
また、核融合炉１の上部と側面は断熱材２０２で覆われている。熱交換ピストン２４２は、その下部に設けられたガス通路２０１を通して低温室２２２に連通している。低温室２２２は、パワーピストン２２１により容積が変化するように構成されており、冷却フィン２４１により冷却される。
さらに、容器４と一体にクランクホルダー２５０が設けられており、クランクホルダー２５０に支持されたクランクシャフト２１０が、図２において図示左回りに回転する。パワーピストン２２１と熱交換ピストン２４２は、それぞれ連接棒２３３，２４３により、クランクシャフト２１０に付設されたクランクピン２１１と連結されており、互いに９０度異なる位相で往復動する。図３に示す状態では、熱交換ピストン２４２が上死点に位置しているので、高温室における熱交換ピストン２４２の下側の低温側の容積が大きくなる。このとき、作動ガスとしての混合ガス３Ｃの平均温度は最も低いので、その圧力も低いことから、図２に示す状態のパワーピストン２２１は軽い力で図示左向きに移動することができる。そして、クランクシャフト２１０が１８０度回転すると、熱交換ピストン２４２は下死点に位置するので、高温室における熱交換ピストン２４２の上側の高温側の容積が大きくなる。そうすると、混合ガス３Ｃの平均温度は高くなり、その圧力も高くなるので、パワーピストン２２１は強い力で図示右向きに駆動される。
このようにしてスターリングエンジン２００が駆動力を得て、例えば２００ｒｐｍから２０００ｒｐｍ程度で回転すると、１回転毎に混合ガス３Ｃの圧力は３倍程度変化する。これに合わせて重水素分圧も変化するが、タンタル板２中の重水素の拡散速度は、その重水素圧力の変動に追随し得るほど速くないので、タンタル板２における重水素濃度は平均重水素分圧にほぼ等しくなる。
また、クランクシャフト２１０とフライホイール２１５の間には１対のテーパーリング２１４が設けられており、ナット２１８を締め付けることによりクランクシャフト２１０とフライホイール２１５が一体的に固定される。フライホイール２１５には磁石２１６が取り付けられており、磁石２１６に対向配置された発電機６０により、スターリングエンジン２００の出力が電力に変換される。
スターリングエンジン２００の短時間での出力制御は、発電機６０が自らの回転数を制御することにより行うことができる。スターリングエンジン２００は、停止していれば出力は０であり、発電機６０がフライホイール２１５の回転方向に応じた磁石になることにより起動する。核融合炉１の温度が安定していれば、回転を始めたスターリングエンジン２００はほぼ一定のトルクを発生するので、発電装置６０Ａは回転数にほぼ比例する電力を発生する。
図４は、本発明に係る発電装置を電力源として用いた移動体の一例の正面図である。移動体としての２足歩行ロボット８０は、その胴体部の内部に搭載された発電装置６０Ａを備える。ロボット８０においては、発電装置６０Ａにおけるスターリングエンジン２００の冷却フィン２４１を冷却するために、左脇腹部に冷却空気取入口８１が設けられており、また、口に相当する位置に排熱用の排気口８２が設けられている。
図５、図６、及び図７は、それぞれ、本発明に係る核融合炉を直列に複数配置した核融合炉を備える貫流ボイラーの一例の正面図、側断面図、及び、正面拡大部分断面図である。なお、図６は、図５におけるＸ−Ｘ断面の拡大図であり、図７は、図６におけるＷ−Ｗ断面図である。
貫流ボイラー４００は、全部で５個の核融合炉１ａ〜１ｅを直列に配置した核融合炉１Ａを備える。貫流ボイラー４００の運転時において、これらの核融合炉１ａ〜１ｅは、その順に温度が高くなるので、互いに異なる５つの圧力の重水素ガス３が、それぞれの核融合炉１ａ〜１ｅへ供給される。また、核融合炉１ａ〜１ｅは、それぞれ、互いに異なる圧力の重水素ガス３が供給されるガス入口３１ａ〜３１ｅと、核融合反応の生成物であるヘリウムガスを含んだ重水素ガス３が排出されるガス出口３３ａ〜３３ｅを有する。なお、貫流ボイラー４００は、核融合炉１ａ〜１ｅを直列に配置した核融合炉１Ａを熱源として用いる点において、「温熱機器」の一例に相当するともいえる。
核融合炉１Ａの内部には、核融合炉１ａ〜１ｅ内を貫通する壁４と一体に構成された水管４ｄが設けられており、その内側には、らせん溝を有する水路４０が形成されている。核融合炉１ａ〜１ｅ内における水管４ｄの外径部は、らせん状を成すフィン状に形成されたニッケル管２で包れている。ニッケル管２には微量のリチウムが含まれており、炉体としての容器４とニッケル管２の端部は、図７の右上円内の拡大図に示すように、ステンレスワッシャー２０を介して接触するように構成されている。ステンレスワッシャー２０は、イオンビーム放射物質のウラン合金がステンレスで挟持されたものが薄く延伸されたものであり、その表面はＣａＯでコーティングされており、これにより溶着が防止されている。このように構成された貫流ボイラー４００においては、核融合炉１ａ〜１ｅ内に重水素ガス３が供給されると、重水素がニッケル管２に固溶し、これにより発熱が始まり、給水口４１から流入した水が水路４０内で加熱され、発生した蒸気が蒸気出口４２から排出される。このとおり、水路４０が「高温部」の一例に相当し、水路４０を流通する水が「冷却媒体」及び「作動媒体」の一例に相当する。
図８は、貫流ボイラー４００の核融合炉１Ａにおける重水素圧制御システム図である。各核融合炉１ａ〜１ｅへの重水素ガスの供給は、重水素ボンベ３０から減圧弁３４を通して行われ、或いは、リザーブタンク３９から行われる。本実施例の場合、各核融合炉１ａ〜１ｅへの重水素ガス３の供給圧は、リザーブタンクの内圧よりも高くされており、各核融合炉１ａ〜１ｅのガス入口３１側に圧縮ポンプ３６ａ〜３６ｅが設けられており、ガス出口３３側に重水素の固溶量を調整する装置としての調圧機３５ａ〜３５ｅが設けられている。かかる構成により、各核融合炉１ａ〜１ｅに供給される重水素ガス３の圧力は、各核融合炉１ａ〜１ｅの温度に対してそれぞれ適切に調整されている。また、各調圧機３５ａ〜３５ｅから排出されるヘリウムを含む重水素ガス３は、圧縮ポンプ３７によりまとめて重水素透過装置３８へ送られ、重水素とヘリウムに分離される。重水素透過装置３８を透過した重水素ガス３は、リザーブタンク３９に戻入され、分離濃縮されたヘリウムガスは、ポンプ４７１で圧送されてヘリウムガスボンベ４７０に蓄積される。
図９は、貫流ボイラー４００を用いた発電装置６０Ａのシステム図である。蒸気出口４２から排出される蒸気は、蒸気導管４７を通って蒸気タービン４５を駆動し、蒸気タービン４５の出力は、発電機６１で電力に変換される。蒸気タービン４５を通過した蒸気は、冷却器４８に導入されて液化される。冷却器４８で液体になった水は、高圧ポンプ４９で加圧され、再度貫流ボイラー４００へ給水口４１から供給される。
図１０は、貫流ボイラー４００を搭載した船舶９０の駆動システム図である。移動体としての船舶９０は、貫流ボイラー４００に接続された蒸気タービン４５の駆動力を減速機９１で減速してスクリュー９２を回動させることにより推進力を得る。
図１１、図１２、及び図１３は、それぞれ、本発明に係る核融合炉を直列に複数配置した核融合炉の正面図、左側面図、及び底面図である。なお、図１２における断面部分は、図１１のＶ−Ｖ断面を示し、図１１における断面部分は、図１２のＴ−Ｔ断面を示す。核融合炉１Ａは、図１１の正面図において左右対称であり、Ｒのついた部材とＬのついた部材は互いに対称の位置にあるので一部符号を省略している。例えば、ガス入口３１ｅＬと導管３２ｇＲに対して、それぞれガス入口３１ｅＲと導管３２ｇＬは対象の位置にあり、左側面図の図１２では重なって見える。
本実施例において、核融合炉１Ａは、高温ガス炉５００を構成しており、全部で２３個の核融合炉を備える。これらの核融合炉は、上方に設けられたものほど温度が高くなるので、互いに異なる５つの圧力の重水素ガス３が、それぞれ５個又は４個の核融合炉へ供給される。例えば、ガス入口３１ａＬ，３１ａＲから流入する重水素ガス３が導管３２ａＬ，３２ａＲ，３２ｂＬ，３２ｂＲを通して、核融合炉１ａＬ、１ａＲ、１ｂ、１ｃＬ、１ｃＲに供給される。これにより、これらの５個の核融合炉には、共通の圧力を有する重水素ガス３が供給される。また、核融合反応の生成物であるヘリウムガスを含んだ重水素ガス３は、ガス出口３３ａＬ，３３ａＲから排出される。なお、高温ガス炉５００は、核融合炉１Ａを熱源として用いる点において、「温熱機器」の一例に相当するともいえる。
各核融合炉は、圧縮された状態でガス入口５２１から流入してガス路５０内を流通するガスによって冷却され、高温になったガスがガス出口５２２から流出する。各核融合炉のガス路５０は壁４によって画成されており、重水素ガスの流路には壁４に沿って金属発熱体２が設けられており、かかる構成により、金属発熱体の発熱がガス路５０内のガスに伝達される。核融合炉１Ａにおいては、その最上部に配置された核融合炉１ａＬ，１ａＲ，１ｂ，１ｃＬ，１ｃＲの温度が最も高くなるので、これらの核融合炉の金属発熱体２には例えば金が使用され、それら以外の核融合炉の金属発熱体２には例えばパラジウムが使用される。このとおり、ガス路５０が「高温部」の一例に相当し、ガス路５０を流通するガスが「冷却媒体」及び「作動媒体」の一例に相当する。
図１４は、図１１のＵ−Ｕ部におけるイオンビーム導入口１０の周辺部分の拡大断面図である。各核融合炉の容器４の背面には、１つずつイオンビーム導入口１０が設けられている。イオンビーム導入口１０と金属発熱体２は、薄い重水素拡散防止層１２によって隔離されており、また、イオンビーム導入口１０は蓋１４によって封止されており、これらにより、金属発熱体２から重水素が外部へ放出されてしまうことが抑止されている。この蓋１４を開放し、イオンビーム導入口１０にイオン加速器を挿入し、イオンビーム導入口１０の内部を真空にしてイオンビームを供給することにより、核融合炉を起動することができる。その際、イオンビームとして２Ｈ、４Ｈｅ、及び６Ｌｉを使用すると効率がよいので好ましい。また、イオン加速器の代わりに、強いαイオンビームを放射する物質、例えば２１０Ｐｏをイオンビーム導入口１０に挿入してもよい。
さらに、金属発熱体２の全体に微量のリチウムを固溶させてもよく、この場合には、取扱の容易な２４１Ａｍ等のイオンビーム放射物質をイオンビーム導入口１０に挿入して重水素拡散防止層１２に近接させることにより、各核融合炉を起動して発熱を開始させることができる。
図１５は、高温ガス炉５００を構成する核融合炉１Ａの重水素圧制御システム図である。各核融合炉への重水素ガス３の供給は、重水素ボンベ３０から減圧弁３４を通して行われ、或いは、リザーブタンク３９から行われる。パラジウム製の金属発熱体２が使用されている各核融合炉への重水素ガス３の供給圧は、リザーブタンクの内圧よりも低くされており、各ガス入口３１側に重水素の固溶量を調整する装置としての調圧機３５ｂ〜３５ｅが設けられており、かつ、各ガス出口３３側に圧縮ポンプ３６ｂ〜３６ｅが設けられている。かかる構成により、各核融合炉に供給される重水素ガス３の圧力は、各核融合炉の温度に対してそれぞれ適切に調整されている。
一方、金製の金属発熱体２に必要とされる重水素ガス３の圧力はリザーブタンクの内圧よりも高いので、ガス入口３１側に圧縮ポンプ３６ａが設けられており、かつ、ガス出口３３側に調圧機３５ａが設けられ、これらにより、供給される重水素ガス３の圧力が適切に調整されている。調圧機３５ａ及び各圧縮ポンプ３６ｂ〜３６ｅから排出されるヘリウムを含む重水素ガス３は、重水素透過装置３８に送られ、重水素とヘリウムに分離される。重水素透過装置３８を透過した重水素ガス３は、リザーブタンク３９に戻入され、分離濃縮されたヘリウムガスは、ポンプ４７１で圧送されてヘリウムガスボンベ４７０に蓄積される。
図１６は、高温ガス炉５００を用いた発電装置６０Ａのシステム図である。ガス出口５２２から排出される高温のガスは、ガス路５０を通ってガスタービン５５を駆動し、熱交換器５８に導入される。熱交換器５８で冷却されたガスは、圧縮機５６で加圧されてガス入口５２１から高温ガス炉５００に戻入される。熱交換器５８で加熱された水は、蒸気となり、蒸気導管４７を通って蒸気タービン４５を駆動した後、冷却器４８に導入されて液化される。冷却器４８で液体になった水は、高圧ポンプ４９で加圧され、再度熱交換器５８へ供給される。ガスタービン５５の出力と蒸気タービン４５の出力は、それぞれの発電機６０，６１で電力に変換される。なお、発電装置６０Ａは、核融合炉１Ａを熱源として用いる点において、「温熱機器」の一例に相当するともいえる。
図１７は、高温ガス炉５００を用いた発電装置６０Ａを搭載した船舶９０の駆動システム図である。移動体としての船舶９０は、発電機６０，６１からの電力を、送電線９６を通して制御装置９４に送り、電気モーター９３を駆動してスクリュー９２を回動させることにより、推進力を得る。余剰電力は、バッテリー９５に蓄えられ、船舶９０内の電力消費を賄うとともに、船舶９０の移動時に加速するときの電力として補完的に使用される。
図１８及び図１９は、それぞれ、本発明の他の実施形態に係る核融合炉の一例の正面断面図及び平面断面図である。なお、図１８は、図１９におけるＲ−Ｒ断面図であり、図１９は、図１８におけるＳ−Ｓ断面図である。
本実施例において、核融合炉１は、重水素とヘリウムの混合ガス３Ｃを用いた混合ガス炉６００を構成しており、炉体としての容器４とその蓋４Ｃで画定された空間内に複数段の設置台６３０が収容されている。設置台６３０には、その１段あたり６枚ずつ（全１２段で計７２枚）の円板状を成す金属発熱体２が簡単に取り外せるように設置されている。また、設置台６３０には、各金属発熱体２に隣接するように、イオンビーム放射物質である劣化ウラン合金２０が同数固定されている。なお、図示において、劣化ウラン合金２０は半円形で描かれているが、実際は薄板状を成しており、その片面が金属発熱体２に密接するように設けられている。なお、混合ガス炉６００は、核融合炉１を熱源として用いる点において、「温熱機器」の一例に相当するともいえる。
本実施例の核融合炉１では、ガス入口５２１から流入する低温の冷媒ガスは、低温ガス室６１０から各分配口６１１に分配されて６か所の分配路６１２に導入され、各分配路６１２において図示縦方向に各１３個設置されたノズル６１３からガス室５２０に送り込まれる。この核融合炉１においては、各金属発熱体２の温度を均等にするべく、各ノズル６１３は、各金属発熱体２の上下面側の冷媒ガスが滞留しないように、かつ、ガス室５２０に右回りの旋回流を形成するように、その方向と位置が定められている。例えば、図１８において、核融合炉１の右側部分に位置するノズル６１３は、冷媒ガスの噴き出し部が描かれており、核融合炉１の左側部分に位置するノズル６１３は、分配路６１２の断面形状が描かれている。高温になった冷媒ガスは、設置台６３０の中央に位置する円筒状の支柱に開口された高温ガス排出口６２１から高温ガス室６２０に流入し、ガス出口５２２から排出される。このとおり、ガス室５２０及び高温ガス室６２０が「高温部」の一例に相当し、冷媒ガスが「作動媒体」の一例に相当する。
図２０は、混合ガス炉６００における金属発熱体２単体の平面図であり、図２１は、図２０におけるＰ部分のＱ−Ｑ拡大断面図である。本実施例の金属発熱体２は、微量のリチウムを含むタンタル製であり、０．５ｍｍ前後のサイズを有する球状の粒を低密度に焼結したものである。かかる金属発熱体２は、空孔が多く、また、空孔が連続した連通気孔６４０が形成されるので、金属発熱体２の内部で生成されたヘリウムを外部へ排出させ易い利点がある。
図２２は、混合ガス炉６００を用いた発電装置６０Ａのシステム図である。混合ガス炉６００から排出される高温の混合ガス３Ｃは、ガス路５０を通って熱交換器５８で冷却され、送風機５７で再び混合ガス炉６００に戻入される。熱交換器５８で加熱された水は蒸気となり、蒸気導管４７を通って蒸気タービン４５を駆動した後、冷却器４８に導入されて液化される。冷却器４８で液体になった水は、高圧ポンプ４９で加圧され、再度熱交換器５８へ供給される。蒸気タービン４５の出力は、発電機６１で電力に変換される。なお、発電装置６０Ａは、核融合炉１を熱源として用いる点において、「温熱機器」の一例に相当するともいえる。
また、本実施例の発電装置６０Ａにおいては、混合ガス３Ｃに含まれる重水素の分圧を、低温側のガス路５０に取り付けられた重水素分圧計５１で計測する。その計測結果に基づいて、混合ガス３Ｃにおける重水素の分圧が不足している場合には、重水素ボンベ３０から減圧弁３４を通して減圧した重水素ガスの量を、重水素の固溶量を調整する装置としてのマスフローコントローラ６６１で調整し、その重水素ガスをポンプ３６で圧縮してガス路５０に供給する。一方、生成されたヘリウムが増加し、混合ガス３Ｃの圧力が高まった場合には、その混合ガス３Ｃの一部が定圧制御弁６５０を通して重水素透過装置３８に送られ、重水素とヘリウムに分離される。重水素透過装置３８を透過した重水素は、導管３２を通して、マスフローコントローラ６６１からの重水素ガスと合わせて、ポンプ３６で圧縮され、ガス路５０に戻入される。重水素透過装置３８で分離濃縮されたヘリウムは、ポンプ４７１で圧送されてヘリウムガスボンベ４７０に蓄積される。
図２３は、混合ガス炉６００における金属発熱体２の他の一例の図２０におけるＰ部分に相当する部分拡大図である。本実施例の金属発熱体２は、微量のリチウムを含む一定の長さのタンタル製線材を平面的に束ねて圧縮して焼結したものである。かかる金属発熱体２では、線材間の隙間がそのまま直線状の連通気孔６４０として形成される。
図２４は、混合ガス炉６００における金属発熱体２の更に他の一例の図２１に相当する部分拡大断面図である。本実施例の金属発熱体２は、タンタル製の球状粒の表面にメッキにより１．５μｍのパラジウムの層が形成され、その層に被核変換物質が植え込まれた母材金属２ｂを有すること以外は、図２１に示す実施例５の金属発熱体２と同様の構造を有する。本実施例の金属発熱体２によれば、混合ガス炉６００で数週間反応させた後、母材金属２ｂを溶融し、核変換が施された物質と残存する被核変換物質を回収することができる。
図２５及び図２６は、それぞれ、本発明に係る核融合炉を熱源として用いた発電装置の他の一例の側面図及び正面断面図である。なお、図２６における一点鎖線の右側部分は、図２５におけるＮ−Ｎ断面を示し、同一点鎖線の左側部分は、図２５におけるＮ−Ｎ２断面を示す。
本実施例において、発電装置６０Ｂは、核融合炉１と熱電モジュール７５０を組み合わせたものである。発電装置６０Ｂの最上部には、電動ファン７４０が設けられており、取入口７４５から吸入される空気が、冷却フィン７３１を冷却し、電動ファン７４０の上部７４２に設けられた吐出口７４６から排気される。また、発電装置６０Ｂの下部には、核融合炉１を囲むように断熱容器７７０が設けられている。その断熱容器７７０の蓋７７１の上方前面と上方後面には、それぞれ４つ並設されたヒートパイプ７３０（合計８つ）が設けられており、それらに隣接してガイド板７７１ｓが配置されている。これにより、空気の回り込みが防止され、空気が冷却フィン７３１を通過するように構成されている。なお、発電装置６０Ｂは、核融合炉１を熱源として用いる点において、「温熱機器」に相当するともいえる。また、熱電モジュール７５０が「熱電変換部」の一例に相当する。
断熱容器７７０の下方には、重水素吸蔵材７８１が収容された重水素吸蔵箱７８０が設置されている。核融合炉１と重水素吸蔵箱７８０は、重水素ガス導管３２で接続されており、重水素が消費されると重水素吸蔵材７８１が重水素ガスを吐出すことにより、核融合炉１内の重水素ガスの分圧が安定に保持される。
また、熱電モジュール７５０は、核融合炉１と電動ファン７４０の間に配置されており、絶縁膜７６０を介して、核融合炉１における容器４の上面に設置されている。また、熱電モジュール７５０の上面には、絶縁膜７６０を介して、計８つのヒートパイプ７３０が貼付されている。なお、図２６における一点鎖線の右側部分にはヒートパイプ７３０の側面が描かれており、同左側部分にはヒートパイプ７３０が断面で描かれている。これらのヒートパイプ７３０の底面には、金属細線を交差させて積層したウィック７３３が設けられており、ウィック７３３は、作動液に浸漬されている。かかるウィック７３３が存在することにより、装置が多少傾いたとしても、ヒートパイプ７３０の底面全体に作動液が接触し、作動液がここで気化される。また、電動ファン７４０のモーター７４１によりファン７４７が回動されると、空気が取入口７４５から吸入されて冷却フィン７３１の間を通り、これにより、ヒートパイプ７３０の上部が冷却される。気化していた作動液は、この部位で冷却されて液化し、ヒートパイプ７３０の内壁７３５に付着し、さらに、ウィック７３３の中央付近から立設された糸状の部分を伝ってヒートパイプ７３０底面に落下する。
図２７は、発電装置６０Ｂにおける核融合炉１単体の平面断面図であり、図２６におけるＭ−Ｍ断面を示す。核融合炉１における炉体としての容器４には、重水素ガス３が入っており、容器４の内側上面には金属発熱体としてのニッケル板２が貼付されている。ニッケル板２の下面には、９個のイオンビーム放射物質であるアメリシウム２０が金箔にくるまれた状態で貼付されている。また、ニッケル板２の下面側には、６Ｌｉが固溶されており、核融合炉１に重水素ガス３を注入することにより、発熱が開始される。
図２８は、発電装置６０Ｂにおける熱電モジュール７５０の斜視図である。熱電モジュール７５０は、８対のｐ型熱電素子７５１とｎ型熱電素子７５２から成り、それぞれの素子は、導体７５３，７５４によって直列に接続されている。そうして接続された素子の両端は、電力を外部へ取り出すための導体７５５，７５６に接続されている。
図２９は、発電装置６０Ｂの部分開放平面図である。同図における一点鎖線の下側部分では、電動ファン７４０が省略されており、その下の４つのヒートパイプ７３０が開放されて描かれている。同図のとおり、ヒートパイプ７３０の上部においては、冷却フィン７３１が大半の容積を占めており、内壁７３５内の空間が狭められている。
以上説明した実施形態及び実施例は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態及び実施例が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態及び実施例で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることも可能である。さらに、本発明は、以下のとおり表現することもできる。
本発明による核融合炉によれば、プラズマ磁場閉じ込め装置が不要であり、γ線や中性子線が放出されることがなく、また、従来の核分裂を利用した原子炉とは異なり、資源枯渇のおそれがなく、しかも、放射能が少なく制御もし易く安全であり、小型から大型の炉まで安価な核融合炉を実現することができる。従って、本発明は、エネルギー源、熱源、動力源、及び電力源、並びに、それらを用いた装置、システム、及び方法等に関する産業上の種々の分野に広く利用可能である。
１，１ａ，１ａＬ，１ａＲ，１ｂ，１ｃ，１ｃＬ，１ｃＲ，１ｄ，１ｅ…核融合炉（温熱機器）、１Ａ…核融合炉を直列に複数配置した核融合炉（温熱機器）、２…パラジウム板，ニッケル管，ニッケル板，タンタル板（金属発熱体）、２ｂ…核変換を施される物質を植え込んだ金属（母材金属）、３…重水素ガス、３Ｃ…ヘリウムと重水素の混合ガス（作動媒体）、３Ｒ…ラドンと重水素の混合ガス、４…炉体としての容器（高温部）、４ａ…支持アーム、４Ｂ…容器の一部、４Ｃ…容器としての蓋、４ｄ…水管、１０…イオンビーム導入口、１２…重水素拡散防止層、１４…蓋、２０…劣化ウラン合金，ステンレスワッシャー，ウランガラス，アメリシウム（イオンビーム放射物質）、３０…重水素ボンベ ３１，３１ａＬ，３１ａＲ…ガス入口、３２…重水素ガス導管、３２ａＬ，３２ａＲ，３２ｂＬ，３２ｂＲ…導管、３３，３３ａ，３３ａＬ，３３ａＲ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅ…ガス出口、３４…減圧弁、３５，３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ，３５ｅ…調圧機（重水素の固溶量を調整する装置）、３６…ポンプ、３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄ，３６ｅ，３７…圧縮ポンプ、３８…重水素透過装置、３９…リザーブタンク、４０…水路（高温部）、４１…給水口、４２…蒸気出口、４５…蒸気タービン、４７…蒸気導管、４８…冷却器、４９…高圧ポンプ、５０…ガス路（高温部）、５１…重水素分圧計、５５…ガスタービン、５６…圧縮機、５７…送風機、５８…熱交換器、６０，６１…発電機、６０Ａ，６０Ｂ…発電装置（温熱機器）、８０…２足歩行ロボット（移動体）、８１…冷却空気取入口、８２…排気口、９０…船舶（移動体）、９１…減速機、９２…スクリュー、９３…電気モーター、９４…制御装置、９５…バッテリー、９６…送電線、１００…温熱マグカップ（温熱機器）、１１０…断熱層、１３０…温飲料、２００…スターリングエンジン、２０１…ガス通路、２０２…断熱材、２１０…クランクシャフト、２１１…クランクピン、２１４…テーパーリング、２１５…フライホイール、２１６…磁石、２１８…ナット、２２１…パワーピストン、２２２…低温室、２３３，２４３…連接棒、２４１…冷却フィン、２４２…熱交換ピストン、２５０…クランクホルダー、４００…貫流ボイラー（温熱機器）、４７０…ヘリウムガスボンベ、４７１…ポンプ、５００…高温ガス炉（温熱機器）、５２０…ガス室（高温部）、５２１…ガス入口、５２２…ガス出口、６００…混合ガス炉（温熱機器）、６１０…低温ガス室、６１１…分配口、６１２…分配路、６１３…ノズル、６２０…高温ガス室（高温部）、６２１…高温ガス排出口、６３０…設置台、６４０…連通気孔、６５０…定圧制御弁、６６１…マスフローコントローラ（重水素の固溶量を調整する装置）、７３０…ヒートパイプ、７３１…冷却フィン、７３３…ウィック、７３５…内壁、７４０…電動ファン、７４１…モーター、７４２…電動ファンの上部、７４５…取入口、７４６…吐出口、７４７…ファン、７５０熱電モジュール（熱電変換部）、７５１…ｐ型熱電素子、７５２…ｎ型熱電素子、７５３，７５４，７５５，７５６…導体、７６０…絶縁膜、７７０…断熱容器、７７１…蓋、７７１ｓ…ガイド板、７８０…重水素吸蔵箱、７８１…重水素吸蔵材。

Claims (18)

  1. 炉体としての容器と、
    前記容器内に収容された重水素を固溶する金属発熱体と、
    前記容器内に収容され、かつ、前記金属発熱体に原子数比で０．００５％から５％の重水素を固溶させることができる量の重水素ガスと、
    前記金属発熱体にイオンビームを照射する機構と、を備える核融合炉。
  2. 前記金属発熱体は、前記イオンビームの供給を受ける部分又は全体に原子数比で０．０００５％から１％のリチウムを固溶させたものである、請求項１の核融合炉。
  3. 前記金属発熱体は、前記リチウムを固溶させた部分が前記重水素ガスに対面しており、
    前記重水素ガスに、前記イオンビームを放射する物質が混入されている、請求項２の核融合炉。
  4. 前記イオンビームを放射する物質が取り付けられた設置台を備え、
    前記金属発熱体が載置された場合に、前記イオンビームを放射する物質が前記リチウムを固溶させた部分に隣接する、請求項２の核融合炉。
  5. 前記リチウムが６Ｌｉを主として含む、請求項２から４のいずれかの核融合炉。
  6. 前記金属発熱体に隣接され、かつ、核変換が施される物質を含む金属を備える、請求項１から５のいずれかの核融合炉。
  7. 前記金属発熱体における重水素の固溶量を調整する装置を備える、請求項１から６のいずれかの核融合炉。
  8. 前記金属発熱体は、温度が高くなるほど平衡重水素圧が高くなる金属であり、
    前記重水素の固溶量を調整する装置は、前記金属発熱体が最も活発に核融合を生起する固溶量よりも少ない固溶量に調整する、請求項７の核融合炉。
  9. 前記金属発熱体は、温度が高くなるほど平衡重水素圧が低くなる金属であり、
    前記重水素の固溶量を調整する装置は、前記金属発熱体が最も活発に核融合を起こす固溶量よりも多い固溶量に調整する、請求項７の核融合炉。
  10. 前記金属発熱体は、当該金属発熱体の内部に形成された連通気孔を有する、請求項１から９のいずれかの核融合炉。
  11. 前記重水素ガスに、前記金属発熱体の冷媒としてのヘリウムガスが混入されている、請求項１から１０のいずれかの核融合炉。
  12. 前記重水素ガスからヘリウムを除去する装置を備える、請求項１から１１のいずれかの核融合炉。
  13. 一の冷却媒体の流れ方向に請求項７の核融合炉が直列に複数配置される核融合炉。
  14. 請求項１から１３のいずれかの核融合炉が熱源として用いられる温熱機器。
  15. 請求項１から１３のいずれかの核融合炉が熱源として用いられる外燃機関。
  16. 請求項１から１３のいずれかの核融合炉が熱源として用いられる発電装置。
  17. 請求項１５の外燃機関が動力源として用いられる移動体。
  18. 請求項１６の発電装置が電力源として用いられる移動体。
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