JPWO2019138452A1 - Charged particle beam fusion reactor - Google Patents
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Abstract
【課題】プラズマ方式の核融合炉は、生成粒子の分離が難しく、トリチウムの漏えいが懸念され、いまだに核融合に至っていない。荷電粒子ビーム衝突型核融合炉は、核融合を発生させることができるが、粒子加速器の加速効率が低く、衝突率も低く、ブレークイーブンに到達できないとされてきた。【解決手段】加速効率の高い粒子加速器を使用し、未反応燃料粒子を循環させる構成とし、効率を高めた。D—D反応炉で生成したトリチウムとヘリウム3を荷電粒子の状態で分離し、トリチウムをD−T反応炉で直ちに消滅し、膨大なエネルギーを得る連携型(50c)、並びに、D-3He反応を行う放射性物質を伴わない簡易型(50s)の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉を考案した。また、中性子をリチウムなどに照射し、より多くのトリチウムを増殖させ、出力を増倍させるトリチウム増倍型及び増殖型(50t、50T)の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉を考案した。【選択図】 図10[PROBLEMS] In a plasma-type fusion reactor, it is difficult to separate generated particles, and there is concern about leakage of tritium, and nuclear fusion has not yet been achieved. The charged particle beam collision-type fusion reactor can generate fusion, but it has been said that the particle accelerator has low acceleration efficiency, low collision rate, and cannot reach breakeven. A particle accelerator having high acceleration efficiency is used to circulate unreacted fuel particles, thereby improving the efficiency. Tritium and helium 3 generated in the DD reactor are separated in the form of charged particles, and the tritium is immediately annihilated in the DT reactor to obtain an enormous amount of energy. A simple (50 s) charged particle beam collision type fusion reactor without radioactive materials was devised. We have also devised a tritium multiplication type and multiplication type (50 t, 50 T) charged particle beam collision type fusion reactor that irradiates neutrons to lithium and the like to multiply more tritium and increase the output. [Selection diagram] FIG.
Description
本発明は、地上で入手可能な核融合燃料を荷電粒子ビームにして衝突させ、D−D反応、D−T反応を発生させ、核融合により生成する中性子(n)やトリチウム(T)を直ちに消滅させ、ヘリウム3(3He)を生産し、並びに、D−3He反応を利用した放射性物質を伴わない核融合炉に関するものである。According to the present invention, a fusion fuel available on the ground is made into a charged particle beam and collided to generate a DD reaction and a DT reaction, and neutrons (n) and tritium (T) generated by the fusion are immediately generated. quenched, to produce helium 3 (3 the He), and, to a fusion reactor without radioactive material using D-3 the He reaction.
基本的な核融合反応の種類と反応式は、次のとおりである。
D−D反応 D + D → T + p 4.03MeV
D + D → 3He+ n 3.27MeV
D−T反応 D + T → 4He+ n 17.59MeV
D−3He反応 D + 3He → 4He+ p 18.45MeV
3He−3He反応 3He+3He → 4He+2p 12.86MeV
表1 核融合質量欠損計算表
表1は、核融合に使用する2種類の粒子の合計質量を表形式の計算表にしたもので、矢印で示す核融合反応前の2つの粒子の合計質量と、核融合反応後の2つの粒子の合計質量、並びに、矢印の近傍に示す差分の質量(指数部を省略しているが、10−27kgである。)を示している。
質量減少分(質量欠損)は、核融合生成粒子の運動エネルギー(K)になることを表している。
減少分の質量に、c2を掛けるとエネルギー(J)の単位に、さらに6.24×1018を掛けると電子ボルト(eV)の単位に変換できる。The basic fusion reaction types and reaction equations are as follows.
DD reaction D + D → T + p 4.03 MeV
D + D → 3 He + n 3.27MeV
D-T reaction D + T → 4 He + n 17.59MeV
D- 3 He reaction D + 3 He → 4 He + p 18.45MeV
3 He- 3 He reaction 3 He + 3 He → 4 He + 2p 12.86MeV
Table 1 Fusion mass loss calculation table Table 1 shows the total mass of the two types of particles used for nuclear fusion in a tabular calculation table. , The total mass of the two particles after the nuclear fusion reaction, and the difference mass shown in the vicinity of the arrow (the exponent is omitted, but it is 10-27 kg).
The mass decrease (mass defect) represents the kinetic energy (K) of the fusion-producing particles.
Multiplying the mass of the decrease by c 2 can convert it to the unit of energy (J), and further multiplying by 6.24 × 10 18 can convert it to the unit of electron volt (eV).
本願の核融合に使用する物質の物性は、次のとおりである。
D:デューテリウム・重水素
天然水に0.015%含まれ、核融合燃料として十分な量が採取可能とされる。
重水素の生産に必要なエネルギーは、「重水」の精製に要するエネルギーが殆どを占め、1kgの重水を生産するのに57MWh(メガワット時)のエネルギーを必要とする。
T:トリチウム、三重水素
トリチウム(T)は、半減期12.3年でβ崩壊する最も毒性の少ない放射性物質とされるが、内部被ばくの危険性が指摘されている。
3He:ヘリウム3
ヘリウム3(3He)は、放射線を発生しない安全な核融合燃料である。
4He:ヘリウム4
ヘリウム4(4He)は、安定で安全な物質で、原子核はアルファ粒子(α)と呼ばれ、陽子(p、水素原子核)とともに、最終的な核融合生成物質である。
The physical properties of the substance used for nuclear fusion of the present application are as follows.
D: Deuterium / deuterium 0.015% is contained in natural water, and a sufficient amount can be collected as a nuclear fusion fuel.
The energy required for the production of deuterium is dominated by the energy required for the purification of "heavy water", which requires 57 MWh (megawatt hours) of energy to produce 1 kg of heavy water.
T: Tritium, tritium Tritium (T) is considered to be the least toxic radioactive substance that beta-decays with a half-life of 12.3 years, but the danger of internal exposure has been pointed out.
3 He: helium 3
Helium 3 (3 He) is a secure fusion fuel which does not generate radiation.
4 He: helium-4
Helium 4 (4 the He) is a stable and safe substance, nuclei are called alpha particles (alpha), proton (p, hydrogen nuclei) with a final fusion product material.
世界中で研究されている、主な核融合炉の方式を次に示す。
<プラズマを使用するもの>
プラズマを使用する主な核融合方式には、磁気閉じ込め型、慣性閉じ込め型、静電閉じ込め型などがあり、粒子加速器を使用してプラズマに荷電粒子等を打込み、プラズマを加熱するもの、核融合の点火をしようとするものが含まれる。The following are the main types of fusion reactors being studied around the world.
<Those using plasma>
The main fusion methods that use plasma include magnetic confinement, inertial confinement, and electrostatic confinement.They use a particle accelerator to drive charged particles into the plasma and heat the plasma, and fusion. Includes those that attempt to ignite.
磁気閉じ込め型核融合炉(トカマク型、ヘリカル型、磁気ミラー型など)
磁気閉じ込め型核融合炉は、強力な磁力線でプラズマを閉じ込め、核融合が発生する温度になるまで、マイクロ波や荷電粒子ビームを打ち込み、プラズマを加熱しようとするものである。
核融合科学研究所が、「ヘリカル型と呼ばれる装置を使った実験で、イオンの温度を発電に必要な1億2000万℃まで上げることに成功した。」、「今世紀半ばまでに核融合発電の実現を目指したい。」としている。
国際核融合実験炉(ITER)は、2035年には500メガワットの熱出力を出す計画を進めているという。
プラズマのイオン温度を上げれば、何れ核融合が発生することに間違いはないと考えられるが、50年以上研究しているのに、「核融合現象が観察された。」という情報は、存在していない。
仮に核融合が発生したとしても、炉内に大量のトリチウム(T)を含むプラズマを使用する危険性が指摘されている。Magnetic confinement fusion reactor (tokamak type, helical type, magnetic mirror type, etc.)
Magnetically confined fusion reactors confine plasma with strong magnetic lines of force and attempt to heat the plasma by injecting microwaves or charged particle beams until the temperature at which fusion occurs is reached.
The Institute of Fusion Science said, "In an experiment using a device called a helical type, we succeeded in raising the ion temperature to 120 million degrees Celsius, which is necessary for power generation." I want to achieve it. "
The International Fusion Test Reactor (ITER) is planning to produce 500 MW of heat in 2035.
There is no doubt that fusion will eventually occur if the plasma ion temperature is increased, but there has been information that "a fusion phenomenon has been observed" despite researching for more than 50 years. Not.
Even if nuclear fusion occurs, the danger of using plasma containing a large amount of tritium (T) in the furnace has been pointed out.
慣性閉じ込め型核融合炉(レーザー型、重イオン慣性核融合など)
慣性閉じ込め型核融合炉は、直径数ミリの核融合燃料ペレットを炉の中心に置き、四方八方から強力なレーザー、荷電粒子ビームを照射して圧縮し、核融合燃料が高密度のプラズマと化すことで、核融合を発生させようというものである。
均一に爆縮できないなど問題点が掲げられ、「中性子が観察されたことがある。」としているが、核融合生成粒子のヘリウム3(3He)は検出されておらず、核融合現象は確認されていない。
仮に核融合が生じたとしても、小さい燃料ペレットの全ての核融合燃料が反応することは無いから、核融合生成粒子からトリチウム(T)などを精製して取り出さなければならない。Inertial confinement fusion reactor (laser type, heavy ion inertial fusion, etc.)
Inertial confinement fusion reactors place fusion fuel pellets with a diameter of several millimeters at the center of the reactor and irradiate them with powerful lasers and charged particle beams from all directions to compress the fusion fuel into high-density plasma. The idea is to create nuclear fusion.
Uniformly such problems can not implosion listed, and as "sometimes neutrons was observed." However, helium 3 (3 He) fusion product particles has not been detected, confirmed nuclear fusion phenomenon It has not been.
Even if nuclear fusion occurs, all of the nuclear fusion fuel in the small fuel pellets will not react, so that tritium (T) or the like must be purified and extracted from the fusion-produced particles.
静電閉じ込め型核融合炉(フューザー型、ファーンズワース型など)
静電閉じ込め型核融合炉は、フューザー型等とも呼ばれる方式で、内部に設けたグリッド状の電極に電圧を加えて強い静電界を形成する方式で、核融合現象が確認された方式とされる。
核融合による中性子源として実用化されているが、核融合反応率(ηf)が低いとされる。Electrostatic confinement fusion reactor (Fuser type, Farnsworth type, etc.)
Electrostatic confinement fusion reactors are also known as fuser types, in which a strong electrostatic field is formed by applying a voltage to a grid-like electrode provided inside the reactor. .
Although practically used as a neutron source by nuclear fusion, the fusion reaction rate (η f ) is said to be low.
<ミュオン触媒核融合>
「ミュオン触媒核融合」は、質量の大きい負のミュオンをDT分子に与えることで、デューテリウム(D)とトリチウム(T)の原子核を接近させて核融合反応を発生させる方式である。
ミュオンを作るのに4GeVを要し、1つのD−T反応で17.6MeVのエネルギーを得るから、ミュオン1つが250回以上の核融合を果たせばブレークイーブンが達成されるが、現在は150回程度である。
燃料としてデューテリウム(D)とトリチウム(T)をDT分子にして、5〜30K°に冷却して、炉に10気圧で閉じ込めている。
仮にブレークイーブンが達成されたとして、核融合により高エネルギーのヘリウム4(4He)が発生し、周囲の燃料気体と衝突し、極低温に冷却した燃料気体の温度を上昇させることになるので、初期条件を維持することができない可能性がある。<Muon catalytic fusion>
“Muon-catalyzed nuclear fusion” is a method in which a nuclear reaction of deuterium (D) and tritium (T) is caused to approach to each other by giving a large mass of negative muons to DT molecules.
It takes 4 GeV to make a muon and 17.6 MeV of energy is obtained in one DT reaction, so if one muon performs more than 250 fusions, a breakeven is achieved, but at present it is 150 times. It is about.
Deuterium (D) and tritium (T) are used as fuels and converted into DT molecules, cooled to 5 to 30 K °, and confined in a furnace at 10 atm.
If the break-even has been achieved, the high-energy helium 4 (4 He) is generated by nuclear fusion, collide with the surrounding fuel gas, it means that raising the temperature of the fuel gas that is cryogenically cooled, Initial conditions may not be maintained.
<常温核融合>
核変換が起こることは確認できたとされるが、核融合現象は観察されておらず、メカニズムも解明出来ていない。
最近は、「凝集系核融合」などと呼称を修正して研究が進められている。
核融合を実現できたとしても、固体内での反応であり、反応速度に限界があるから、出力は限定的と考えられる。<Cold fusion>
Although transmutation was confirmed to have occurred, no nuclear fusion phenomenon has been observed, and the mechanism has not been elucidated.
Recently, research has been promoted by changing the name to "agglutination-type fusion".
Even if nuclear fusion can be realized, the reaction is a reaction in a solid and the reaction speed is limited, so the output is considered to be limited.
<荷電粒子ビーム衝突型核融合>
原子核の研究、素粒子の研究などで使われる粒子加速器(62)で荷電粒子を加速し、衝突させて、核融合を発生させる方式である。
理論どおり間違いなく核融合が発生するが、核融合反応率(ηf)を高くすることに限界があり、加速した燃料粒子が無駄になっていた。(特許文献1、2)
粒子の核融合反応率(ηf)が低いこと、粒子加速器(62)の加速効率(ηa)が5%以下と低いこと、ビーム電流が数pA以下と小さかったこともあり、核融合反応率(ηf)が低くて良い学術研究に限って実施されてきた。
動力用の核融合に使用できる加速効率(ηa)の良い粒子加速器(62)が存在しないことから、荷電粒子ビーム衝突型核融合(50)では、「入カエネルギーよりも大きな出力エネルギーを得ることは期待できない。」(非特許文献1)と否定され、研究が行われて来なかった。
<Charged particle beam collision type fusion>
In this method, charged particles are accelerated and collided by a particle accelerator (62) used in research on atomic nuclei and elementary particles to generate nuclear fusion.
Although nuclear fusion occurs without doubt as theoretically, there is a limit to increasing the fusion reaction rate (η f ), and the accelerated fuel particles are wasted. (Patent Documents 1 and 2)
The fusion reaction rate (η f ) of the particles is low, the acceleration efficiency (η a ) of the particle accelerator (62) is as low as 5% or less, and the beam current is as small as several pA or less. It has been limited to academic research with low rates (η f ).
Since there is no particle accelerator (62) having good acceleration efficiency (η a ) that can be used for power fusion, the charged particle beam collision-type fusion (50) obtains “output energy larger than input energy. It cannot be expected. "(Non-Patent Document 1), and no research has been conducted.
<プラズマ方式の問題点>
プラズマを使用する核融合方式は、何れも核融合が観測されておらず、実現の可能性が高いとは言えない。
例え核融合発生に成功したとしても、核融合生成荷電粒子(49c)がプラズマ(燃料粒子)に混合するという問題を抱えており、プラズマから最終核融合生成粒子(49f)である陽子(p)及びヘリウム4(4He) を即座に分離することができない。
核融合生成荷電粒子(49c)であり核融合燃料であるトリチウム(T)を含むから、プラズマの一部を取り出して分離処理を行う場合においても、常に漏出の危険を伴っている。<Problems of the plasma method>
No fusion method using plasma has been observed in any of the fusion methods, and it cannot be said that the possibility of realization is high.
Even if the fusion is successfully generated, there is a problem that the fusion-produced charged particles (49c) are mixed with the plasma (fuel particles), and the protons (p), which are the final fusion-produced particles (49f), are generated from the plasma. And helium 4 ( 4 He) cannot be separated immediately.
Since it is a fusion-produced charged particle (49c) and contains tritium (T) as a fusion fuel, there is always a danger of leakage even when a part of plasma is taken out and subjected to separation treatment.
D−3He反応は、安全な核融合反応であるとされるが、デューテリウム(D)とヘリウム3(3He)が混合しているので、D−D反応などの反応を伴うことになるから、残念なことに、プラズマ方式では、安全な核融合として利用することができない。
核融合燃料としてヘリウム3(3He)のみを使用する核融合は、安全な3He−3He反応を利用できるが、D−D、D−T、D−3Heなどの核融合反応より困難とされ、そもそも地上にヘリウム3(3He)がほとんど存在しないから、この反応を単独で利用する動力用の核融合炉の現実性はない。D-3 the He reaction is said to be safe fusion reactions, since the deuterium (D) Helium 3 (3 He) are mixed, would involve the reaction such as D-D reaction Unfortunately, the plasma method cannot be used for safe fusion.
Fusion of using helium-3 only (3 the He) as fusion fuel is available safe 3 He-3 the He reaction, D-D, D-T , more difficult fusion reactions, such as D-3 the He is a first place because helium 3 (3 He) on the ground there is little, the reality of the fusion reactor for power utilizing this reaction alone can not.
あらゆる方向に等方に飛翔する核融合生成荷電粒子(49c)の運動エネルギー(K)は、プラズマ中の他の粒子と衝突を繰り返し、無秩序な熱エネルギー(Q)になってしまうため、熱発電を行う他無く、直接電力変換が困難であった。
高温のプラズマを電磁力により電子と荷電粒子に分離し、速度変調を行って、直接電力変換による電気エネルギー(E)を得る構想(非特許文献2)も存在するが、何段階もの複雑な処理が必要で、効率(η)が低下するとともに、トリチウム(T)の漏えいの危険が付きまとう。
トリチウム(T)については、外部に取り出して気体に戻して化学処理により分離する方法の他、荷電粒子の状態のままで質量電荷比(m/z)の違いによって分離する方法も考えられる。
陽子(p)、トリチウム(T)については分離可能と考えられるが、デューテリウム(D)とヘリウム4(4He)は、質量電荷比(m/z)がほぼ同一であるから、荷電粒子の状態で分離することに困難がある。The kinetic energy (K) of the fusion-produced charged particles (49c) flying isotropically in all directions repeatedly collide with other particles in the plasma, resulting in disordered thermal energy (Q). Therefore, direct power conversion was difficult.
There is also a concept (Non-Patent Document 2) in which high-temperature plasma is separated into electrons and charged particles by electromagnetic force, and velocity modulation is performed to obtain electric energy (E) by direct power conversion. Is required, the efficiency (η) is reduced, and the danger of leakage of tritium (T) is attached.
As for tritium (T), a method of separating the tritium (T) to the outside, returning it to a gas, and separating it by a chemical treatment, or a method of separating the charged particles in a state of charged particles by a difference in mass-to-charge ratio (m / z) can be considered.
Although it is considered that proton (p) and tritium (T) can be separated, deuterium (D) and helium 4 ( 4 He) have almost the same mass-to-charge ratio (m / z). Difficult to separate by state.
<荷電粒子ビーム衝突型核融合の問題点>
荷電粒子ビーム衝突型核融合は、2組の粒子加速器で荷電粒子を加速して衝突させて、核融合を発生させる方式であるから、理論どおり間違いなく核融合を発生することができるが、粒子加速器の加速効率(ηa)が5%以下と低く、粒子の衝突率(ηf)も低いから無駄になる粒子も多く、とてもブレークイーブンに到達できないと考えられていた。
<Problems of charged particle beam collision type fusion>
The charged particle beam collision type fusion is a method of generating fusion by accelerating and colliding charged particles with two sets of particle accelerators, so fusion can be generated without doubt as theoretically. The acceleration efficiency (η a ) of the accelerator was as low as 5% or less, and the collision rate (η f ) of the particles was low, so that many particles were wasted, and it was considered that the particles could not reach break even.
本願の目的は、まずは、地球上に存在する物質と利用可能な核融合反応から、中性子(n)やトリチウム(T)の影響を極力回避し、どのようにすれば安全な核融合炉を構築できるか、ということを解決することである。 The purpose of this application is to first minimize the effects of neutrons (n) and tritium (T) from the nuclear fusion reaction that can be used with substances existing on the earth, and how to build a safe fusion reactor Is to be able to do it.
核融合反応率(ηf)は、粒子の密度(ρ)と核融合反応断面積(σ)から求められる。
核融合反応断面積(σ)は、粒子の衝突する速度によって変化し、核融合反応を生じるのに適切な速度(運動エネルギー(K)で表す。)と核融合反応断面積(σ)は、次のとおりである。
D−D反応;0.5〜1.4MeVにおいてσ=0.13〜0.2barn
D−T反応;100keVにおいて、σ≒5barn
D−3He反応;400keVにおいて、σ≒1barn
3He−3He反応;1MeVにおいて、σ≒0.01barn
なお、1barnは、10−24cm2である。The fusion reaction rate (η f ) is obtained from the particle density (ρ) and the fusion reaction cross section (σ).
The fusion reaction cross section (σ) changes depending on the speed at which particles collide, and a velocity (expressed in kinetic energy (K)) and a fusion reaction cross section (σ) appropriate for generating a fusion reaction are as follows. It is as follows.
DD reaction; σ = 0.13 to 0.2 barn at 0.5 to 1.4 MeV
DT reaction; σ ≒ 5 barn at 100 keV
D- 3 He reaction; at 400 keV, σ ≒ 1 barn
3 He- 3 He reaction; at 1 MeV, σ ≒ 0.01 barn
Note that 1 barn is 10 −24 cm 2 .
<D−D反応>
デューテリウム(D)を0.5〜1.4MeVで衝突させると、
D + D → T + p と 3He + n の2種類の反応が50%の比率で起こる。
どちらかの反応を選ぶことはできない。
図1は、1組のD−D核融合反応を図解したものであり、
(a) 陽子(p)と中性子(n)からなるデューテリウム(D)が500keVのエネルギーで衝突して核融合し、
(b) 質量欠損分のエネルギー(U)を内包した不安定なヘリウム原子核となるため、
(c) 陽子(p)を放出してトリチウム(T)に、 又は、
(d) 中性子(n)を放出してヘリウム3(3He)に変化する。<DD reaction>
When deuterium (D) is collided at 0.5-1.4 MeV,
Two reaction D + D → T + p and 3 the He + n occurs at a ratio of 50%.
You cannot choose either reaction.
FIG. 1 illustrates a set of DD fusion reactions,
(A) A deuterium (D) composed of a proton (p) and a neutron (n) collides at an energy of 500 keV to fuse,
(B) As an unstable helium nucleus containing the energy (U) of the mass defect,
(C) release protons (p) to tritium (T), or
And (d) changes in the neutron helium 3 by emitting (n) (3 He).
質量欠損により生じたエネルギー(U)は、粒子の質量に逆比例して1:3に分配されるので、トリチウム(T)に1MeV、陽子(p)に3MeV、及び、ヘリウム3(3He)に0.82MeV、中性子(n)に2.45MeVが分配されて、互いに反対方向に飛び出す粒子の運動エネルギー(K)という形で外に出て来る。(個々の飛翔軸の方向は、不定であり、核融合生成粒子群全体では、粒子が等方に飛翔する。)
粒子の持つ運動エネルギー(K)は、一旦熱エネルギー(Q)に変え、さらに熱から発電することで、電気エネルギー(E)に変えることができる。
荷電粒子(中性子以外の粒子)の流れは、電流と等価であるから、電磁誘導作用を利用して、荷電粒子の運動エネルギー(K)を直接電気エネルギー(E)に変えることができる。
中性子(n)は、危険な粒子であるが、遮蔽することで炉の外に漏れない様にすることが出来る。(核分裂炉で実績があり、中性子減速材(10)で減速し吸収することができる。)Since the energy (U) generated by the mass defect is distributed 1: 3 in inverse proportion to the mass of the particle, 1 MeV for tritium (T), 3 MeV for proton (p), and helium 3 ( 3 He). 0.82 MeV and 2.45 MeV to the neutrons (n), and come out in the form of kinetic energy (K) of particles that fly in opposite directions. (The direction of each flight axis is undefined, and the particles fly isotropically in the entire fusion-producing particle group.)
The kinetic energy (K) possessed by the particles can be converted to electrical energy (E) by temporarily converting to thermal energy (Q) and then generating power from heat.
Since the flow of charged particles (particles other than neutrons) is equivalent to an electric current, the kinetic energy (K) of the charged particles can be directly converted to electric energy (E) by utilizing the electromagnetic induction.
Neutrons (n) are dangerous particles, but can be shielded from leaking out of the furnace. (Proven in fission reactors, can be decelerated and absorbed by neutron moderator (10).)
次に、トリチウム(T)は、危険な物質であるから、無害化をどのようにするか、である。
200MWの核融合発電炉の場合、年間11kg以上のトリチウム(T)を生成することになるから、溜めると極めて危険である。
発生したトリチウム(T)を瞬時に分離・回収し、次に説明するD−T反応により消滅する事が望ましい。Next, since tritium (T) is a dangerous substance, how to make it harmless is required.
In the case of a 200 MW nuclear fusion power reactor, tritium (T) of 11 kg or more is generated annually, and therefore, it is extremely dangerous to accumulate it.
It is desirable that the generated tritium (T) be separated and recovered instantaneously and be eliminated by the DT reaction described below.
<D−T反応>
トリチウム(T)とデューテリウム(D)を100keVで衝突させるとD+T →4He+nの反応により、17.59MeVの運動エネルギー(K)が得られる。
図2は、1組のD−T核融合反応を図解したものであり、
(a) トリチウム(T)とデューテリウム(D)を0.1MeVの運動エネルギー(K)で衝突して、核融合が発生する。
(b) 質量欠損分のエネルギー(U)を内包した不安定なヘリウム原子核となるため、
(c) 中性子(n)を放出して安定なヘリウム4(4He)に変化する。<DT reaction>
By reaction of the tritium (T) is a deuterium (D) collide at 100keV D + T → 4 He + n, 17.59MeV kinetic energy (K) is obtained.
FIG. 2 illustrates a set of DT fusion reactions,
(A) Tritium (T) and deuterium (D) collide with a kinetic energy (K) of 0.1 MeV, and nuclear fusion occurs.
(B) As an unstable helium nucleus containing the energy (U) of the mass defect,
(C) changes in the neutron and emits (n) stable helium 4 (4 He).
質量欠損により生じたエネルギー(U)は、粒子の質量に逆比例して1:4に分配され、ヘリウム4(4He)に3.5MeV、中性子(n)に14MeVが分配されて、それぞれ反対方向に勢いよく飛び出す粒子の運動エネルギー(K)という形で外に出て来る。
ヘリウム4(4He)は、直接電力変換が可能な荷電粒子である。
D−D反応で生じたトリチウム(T)を1ミリ秒以内に消滅する事ができれば、瞬間的な存在量を1μg以下にすることができる計算になる。
11,540/(365×24×3600×1000)=0.000000366[g]The energy (U) generated by the mass defect is distributed 1: 4 in inverse proportion to the mass of the particle, 3.5 MeV is distributed to helium 4 ( 4 He), and 14 MeV is distributed to the neutron (n). It comes out in the form of the kinetic energy (K) of a particle that vigorously jumps in a direction.
Helium 4 (4 He) is a charged particle capable of directly power conversion.
If tritium (T) generated by the DD reaction can be eliminated within 1 millisecond, the calculation can be such that the instantaneous abundance can be reduced to 1 μg or less.
11,540 / (365 × 24 × 3600 × 1000) = 0.000000036 [g]
<D−3He反応>
ヘリウム3(3He)とデューテリウム(D)を400keVで衝突させると、
D + 3He → 4He + p の反応により18.45MeVのエネルギー(U)が得られる。
核融合生成粒子に、中性子(n)もトリチウム(T)も含まれないから、安全な核融合反応とされる。
デューテリウム(D)とトリチウム(T)が混合するプラズマ方式では、安全な核融合反応として利用できない核融合反応である。<D-3He reaction>
When helium 3 ( 3 He) and deuterium (D) collide at 400 keV,
D + 3 He → 4 He + p reaction by 18.45MeV energy (U) is obtained.
Since the neutrons (n) and tritium (T) are not contained in the fusion-producing particles, a safe fusion reaction is performed.
The plasma method in which deuterium (D) and tritium (T) are mixed is a nuclear fusion reaction that cannot be used as a safe nuclear fusion reaction.
図3は、D−3He核融合反応を図解したものであり、D−D反応よりも容易に反応が起こり、
(a)400keVのエネルギーで衝突して、
(b)質量欠損分のエネルギー(U)を内包した不安定なリチウム原子核となるため、
(c)陽子(p)を放出して安定なヘリウム4(4He)に変化する。3, D-3 is obtained by illustrating the He fusion reactions, occur readily reacted than the D-D reactions,
(A) Collision with energy of 400 keV,
(B) As an unstable lithium nucleus containing the energy (U) of the mass defect,
(C) to release protons (p) changes to a stable helium 4 (4 He).
質量欠損により生じたエネルギー(U)は、粒子の質量に逆比例して1:4に分配され、ヘリウム4(4He)に3.7MeV、陽子(p)に14.8MeVが分配されて、それぞれ反対方向に勢いよく飛び出す運動エネルギー(K)という形で外に出て来る。
ヘリウム4(4He)、陽子(p)は、共に直接電力変換が可能な荷電粒子であり、D−3He反応は、放射性物質を含まない安全な核融合反応であると同時に、直接電力変換が可能であるから、熱の発生も少なく、軽量な炉を構成可能であるという優れた特徴を有する。The energy (U) generated by the mass defect is distributed 1: 4 in inverse proportion to the mass of the particle, and 3.7 MeV is distributed to helium 4 ( 4 He), and 14.8 MeV is distributed to the proton (p). Each comes out in the form of kinetic energy (K) that jumps out in the opposite direction.
Helium 4 (4 He), proton (p) is a charged particle capable of both direct power converter, at the same time D-3 the He reaction, if it is safe fusion reaction that does not contain the radioactive materials, direct power converter Therefore, it has an excellent feature that a small amount of heat is generated and a lightweight furnace can be configured.
最初にD−D反応を行い、次にD-T反応を行って、トリチウム(T)の消滅を行う、核融合反応を連携することにより、月まで採りにいかなくてもヘリウム3(3He)を手に入ることができ、ヘリウム3(3He)は、直ぐに使っても、安全な核融合燃料として貯めておくこともできる。
200MWの発電炉で年間11kg以上のヘリウム3(3He)を生産できる計算になり、移動体のエンジンとして使用可能なD−3He反応炉(簡易炉)の燃料とすることができる。
3He−3He反応も安全な核融合反応として利用することが出来るが、核融合反応断面積(σ)が小さいので、D−3He反応を用いる方が現実的である。
First, the DD reaction is performed, then the DT reaction is performed, and the elimination of tritium (T) is performed. By linking the nuclear fusion reaction, helium 3 ( 3 He ), And helium 3 ( 3 He) can be used immediately or stored as a safe fusion fuel.
Will calculate capable of producing annual 11kg or more helium 3 (3 the He) at power reactor of 200 MW, it can be the fuel of the D-3 the He reactor that can be used as an engine of the moving object (simple furnace).
Although the 3 He- 3 He reaction can also be used as a safe fusion reaction, it is more realistic to use the D- 3 He reaction because the fusion reaction cross section (σ) is small.
安全な核融合炉の方式を決めるにあたって、考慮すべき要素は、次のとおりである。
・地球上に豊富にある核融合燃料を用いることができる方式であること。
・核融合燃料を無駄にすることなく、確実に核融合が発生する方式であること。
・核融合燃料粒子と核融合生成荷電粒子(49c)とが容易に分離でき、混合しないこと。
・危険な放射性物質であるトリチウム(T)を直ちに消滅できること。
・荷電粒子の運動エネルギー(K)を直接電気エネルギー(E)に変換可能な方式であること。
プラズマを使用する核融合炉は核融合発生に至っていないこと、核融合燃料粒子と核融合生成粒子が混合しているから、採用できないと結論できる。Factors to consider when deciding on a safe fusion reactor are as follows.
-A system that can use nuclear fusion fuels that are abundant on the earth.
-A system that reliably generates fusion without wasting fusion fuel.
-Fusion fuel particles and fusion-produced charged particles (49c) can be easily separated and do not mix.
-To be able to immediately eliminate tritium (T), a dangerous radioactive substance.
-A method capable of directly converting kinetic energy (K) of charged particles into electric energy (E).
It can be concluded that fusion reactors using plasma have not yet produced fusion, and cannot be adopted because fusion fuel particles and fusion product particles are mixed.
荷電粒子ビーム衝突型核融合は、確実に核融合が発生することが知られている方式であるが、これまで研究用のみに使用されてきた方式であるので、動力用に構成可能か否かを検討する。
D−D反応では、衝突に500keVを要し、3.27MeV及び4.03MeVの運動エネルギー(K)が得られるから、投入した運動エネルギー(K)の平均7.3倍の運動エネルギー(K)を得ることができるが、粒子加速器(ηa)の効率が5%以下である場合は、ブレークイーブンを達成することは出来ない。
最近開発された分散型加速器(特許文献3、特許文献4、非特許文献3)の加速効率(ηa)は、60%を得ているから、ブレークイーブンを達成することができる。
検討の結果、核融合炉の方式に、「核融合燃料粒子と核融合生成荷電粒子が分離可能な荷電粒子ビーム衝突型核融合」を選択する。
Charged particle beam collision-type fusion is a method that is known to reliably generate fusion, but since it has been used only for research so far, it can be configured for power. To consider.
In the DD reaction, the collision requires 500 keV, and kinetic energies (K) of 3.27 MeV and 4.03 MeV are obtained. However, when the efficiency of the particle accelerator (η a ) is 5% or less, break even cannot be achieved.
The acceleration efficiency (η a ) of the recently developed distributed accelerators (Patent Literature 3, Patent Literature 4, Non-Patent Literature 3) is 60%, so that a break even can be achieved.
As a result of the study, we will select “Fusion charged particle beam collision type fusion that can separate fusion fuel particles and fusion generated charged particles” as the fusion reactor method.
<連携炉の構成>
200MWの発電炉を構成する例について、より具体化して説明する。
図4に示すD−D反応炉とD−T反応炉を一組にした「トリチウム消滅連携炉(50c)」により、デューテリウム(D)を最初の燃料として核融合を発生させる。
中性子(n)が生成されるので、炉を中性子減速材(10)で覆い、中性子(n)を遮蔽するとともに、その運動エネルギー(K)を熱エネルギー(Q)に変換し、さらに熱発電を行い、電気エネルギー(E)を得る。
一方、核融合生成荷電粒子(49c)による直接電力変換を行い、電気エネルギー(E)を得る。
減速した核融合生成荷電粒子(49c)の中から、トリチウム(T)を分離し、直ちにD−T反応炉に送り、消滅させる。
1つのデューテリウム(D)の荷電粒子バンチに対して、D粒子とT粒子を交互にまたは同時に衝突させる構成の複合炉とすることも可能である。
一対の荷電粒子ビーム発生器(60)で荷電粒子ビームを発生し、複数の核融合炉(50)に荷電粒子ビームを供給する構成方法も考えられる。<Combined furnace configuration>
An example of configuring a 200 MW power generation furnace will be described more specifically.
Nuclear fusion is generated by using the deuterium (D) as the first fuel by the "tritium annihilation cooperating reactor (50c)" which combines the DD reactor and the DT reactor shown in FIG.
Since neutrons (n) are generated, the reactor is covered with a neutron moderator (10) to shield the neutrons (n), convert its kinetic energy (K) into thermal energy (Q), and further generate thermal power. To obtain electrical energy (E).
On the other hand, electric power is directly converted by the fusion-produced charged particles (49c) to obtain electric energy (E).
Tritium (T) is separated from the decelerated fusion-produced charged particles (49c) and immediately sent to a DT reactor to be extinguished.
It is also possible to use a combined furnace having a configuration in which D particles and T particles collide alternately or simultaneously with one charged particle bunch of deuterium (D).
A configuration method in which a charged particle beam is generated by a pair of charged particle beam generators (60) and the charged particle beam is supplied to a plurality of fusion reactors (50) is also conceivable.
「トリチウム消滅連携炉(50c)」の電気出力は、表2に示すように、D−D反応では、核融合生成荷電粒子(49c、T、p、3He)の持つ運動エネルギー(K)の85%を直接電力変換できると48.1MWの電気エネルギー(E)が得られる。
中性子(n)の持つ運動エネルギー(K)は、中性子減速材(10)に照射して熱エネルギー(Q)に変換し、電力に変換できずに熱になった荷電粒子のエネルギー(Q)とともに、60%の熱効率(ηQ)で熱発電を行うと、22.2MWの電気エネルギー(E)を得ることができるから、合計70.3MWが得られる。
表2 「トリチウム消滅連携炉」の所要加速電力及び電気出力The electrical output of the "tritium disappearance cooperation furnace (50c)", as shown in Table 2, in the D-D reactions, fusion generates charged particles (49c, T, p, 3 He) of having kinetic energy (K) If 85% can be directly converted into electric power, 48.1 MW of electric energy (E) can be obtained.
The kinetic energy (K) of the neutron (n) is converted into thermal energy (Q) by irradiating the neutron moderator (10) with the energy (Q) of the charged particles that cannot be converted to electric power and become heat. , 60% of thermal efficiency (η Q ), 22.2 MW of electric energy (E) can be obtained, and a total of 70.3 MW can be obtained.
Table 2 Required acceleration power and electric output of "Tritium annihilation cooperative reactor"
D−T反応では、荷電粒子(4He)の持つ運動エネルギー(K)の85%を直接電力変換できると34.9MWの電気エネルギー(E)が得られる。中性子(n)の持つエネルギーは、全て中性子減速材(10)をとおして熱エネルギー(Q) に変換し、電力に変換できずに熱になった荷電粒子のエネルギー(Q)とともに、60%の熱効率(ηQ)で熱発電を行うことで、102.2MWの電気エネルギー(E)を得ることができるから、合計137.1MWが得られる。
D−D反応とD−T反応の燃料粒子の衝突に要する運動エネルギー(K、高速の燃料粒子のみを考える。以下同じ。)は、12.8MWであり、加速効率(ηa)が60%である場合、21.4MWの電気エネルギー(E)を要するのに対して、得られる電気エネルギー(E)は、直接電力変換の82.9MWと熱発電の124.4MWの合計207.3MWであるから、「トリチウム消滅連携炉(50c)」は、差引185.9MWの電気エネルギー(E)を得ることができる。
The D-T reaction, when 85% of the kinetic energy (K) of a charged particle (4 the He) can be directly power conversion 34.9MW of electrical energy (E) is obtained. All the energy of the neutrons (n) is converted to thermal energy (Q) through the neutron moderator (10), and the energy (Q) of the charged particles which cannot be converted to electric power and becomes heat is reduced by 60%. By performing thermal power generation with thermal efficiency (η Q ), electric energy (E) of 102.2 MW can be obtained, so that a total of 137.1 MW can be obtained.
The kinetic energy (K, considering only high-speed fuel particles; the same applies hereinafter) required for collision of the fuel particles of the DD reaction and the DT reaction is 12.8 MW, and the acceleration efficiency (η a ) is 60%. , 21.4 MW of electric energy (E) is required, whereas the obtained electric energy (E) is a total of 207.3 MW of 82.9 MW of direct power conversion and 124.4 MW of thermal power generation. Therefore, the “tritium annihilation cooperative furnace (50c)” can obtain a difference of 185.9 MW of electric energy (E).
<簡易炉の構成>
図5に示すD−3He反応炉では、デューテリウム(D)とヘリウム3(3He)を燃料として発電を行う移動可能な「簡易炉(50s)」を構成することができる。
D−3He反応は、中性子(n)が発生しないので、遮蔽を行う必要が無いから、炉は軽量であり、核融合生成粒子は全て荷電粒子であるから直接電力変換が可能であり、熱の発生が少ない。<Structure of simple furnace>
The D-3 the He reactor shown in FIG. 5, may be configured with deuterium (D) Helium 3 (3 He) which allow movement to generate electricity as fuel "simple furnace (50s)" a.
D-3 the He reaction, since neutrons (n) does not occur, because there is no need to perform shielding, furnace is lightweight, allowing direct power converter because it is all fusion product particles charged particles, thermal Less occurrence.
表3 「簡易炉」の所要加速電力及び電気出力
「簡易炉(50s)」の電気出力は、荷電粒子の持つ運動エネルギー(K)の85%を直接電力変換できると182.9MWの電気エネルギー(E)が得られる。直接電力に変換できなかった熱エネルギー(Q)から、60%の熱効率(ηQ)で熱発電を行うと、19.4MWの電気エネルギー(E)を得ることができるので、合計202.3MWが得られる。
D−3He反応の衝突に要する運動エネルギー(K)は、4.7MWであり、加速効率(ηa)が60%である場合、7.8MWの電気エネルギー(E)を要するので、「簡易炉(50s)」は、差引194.5MWの電気エネルギー(E)を得ることができる計算であるから、前出の「トリチウム消滅連携炉(50c)」に匹敵する電気エネルギー(E)を得ることができる。
Table 3 Required acceleration power and electric output of "simple furnace" The electric output of "simple furnace (50s)" is 182.9 MW of electric energy (85% of the kinetic energy (K) of charged particles can be directly converted into electric power. E) is obtained. If thermal power is generated at a thermal efficiency (η Q ) of 60% from thermal energy (Q) that could not be directly converted to electric power, electric energy (E) of 19.4 MW can be obtained, so that a total of 202.3 MW can be obtained. can get.
The kinetic energy (K) required for the collision of the D- 3 He reaction is 4.7 MW, and when the acceleration efficiency (η a ) is 60%, 7.8 MW of electric energy (E) is required. The furnace (50s) "is a calculation that can obtain an electric energy (E) of 194.5 MW, so that the electric energy (E) equivalent to the above-mentioned" tritium annihilation cooperative furnace (50c) "can be obtained. Can be.
<ビームの衝突>
荷電粒子ビームの衝突方法について説明する。
核融合反応は、荷電粒子発生器(61)により核融合燃料ガスを電離して発生した荷電粒子をクーロン力により加速してパルス状の荷電粒子ビームのバンチにする粒子加速器(62)、荷電粒子ビームを収束する電子レンズ(63)、及び、荷電粒子ビームの飛翔方向を変える偏向器(64)から構成される荷電粒子ビーム発生器(60)を2組使用し、核融合炉容器(58)の中心部で衝突させて核融合反応を発生させる。<Beam collision>
A method of colliding a charged particle beam will be described.
In the nuclear fusion reaction, the charged particle generated by ionizing the fusion fuel gas by the charged particle generator (61) is accelerated by Coulomb force to bunch a pulse-like charged particle beam (62), a charged particle A fusion reactor vessel (58) using two sets of a charged particle beam generator (60) composed of an electron lens (63) for converging the beam and a deflector (64) for changing the flight direction of the charged particle beam. To cause a nuclear fusion reaction.
核融合容器(58)の中心部に荷電粒子ビームを直径1〜2μm、長さ10cmに収束・偏向し、核融合燃料の組み合わせによって決まる核融合反応断面積(σ)が大きくなる速度(衝突に要する運動エネルギー(K)に対して核融合により得られる運動エネルギー(K)が大きくなる速度で、D−3He反応では、400keV前後。)で衝突させる。
衝突が進むにつれて、双方の荷電粒子バンチの核融合燃料粒子が減少するから、荷電粒子バンチの後半ほど粒子の衝突率が低下する。
一方の低速の粒子数を多くし、他方の粒子を高速とすることで、荷電粒子バンチ後半の衝突率の低下を防ぎ、加速に要する電気エネルギー(E)の無駄を低減することができる。At the center of the fusion vessel (58), the charged particle beam is converged and deflected to a diameter of 1 to 2 μm and a length of 10 cm, and the fusion reaction cross-sectional area (σ) determined by the combination of the fusion fuels increases (at the time of collision). at a rate resulting kinetic energy by nuclear fusion (K) is increased relative to the kinetic energy (K) required, the D-3 the He reaction, collide with 400keV and forth.).
As the collision progresses, the fusion fuel particles of both charged particle bunches decrease, and the collision rate of the particles decreases in the latter half of the charged particle bunch.
By increasing the number of low-speed particles and increasing the speed of the other particles, it is possible to prevent a reduction in the collision rate in the latter half of the charged particle bunch and reduce the waste of electric energy (E) required for acceleration.
荷電粒子ビームの長さを、およそ10cmとすると、核融合反応領域(52)の長さも最大10cm程度となる。
短くすると、多量の荷電粒子を一瞬で打ち出すから、電子レンズ(63)、偏向器(64)等に負担がかかる。
荷電粒子ビームの長さを10cm以上にすると、飛翔する核融合生成荷電粒子(49c)の飛翔幅も増加し、核種毎の分離が不十分となる可能性がある。簡易炉(50s)では、核種毎の分離を行う必要が無いので、この制限は無い。
Assuming that the length of the charged particle beam is about 10 cm, the length of the nuclear fusion reaction region (52) is also about 10 cm at the maximum.
When the length is shortened, a large amount of charged particles are ejected instantaneously, so that the electron lens (63), the deflector (64) and the like are burdened.
If the length of the charged particle beam is set to 10 cm or more, the flying width of the flying fusion-produced charged particles (49c) also increases, and there is a possibility that separation of nuclides becomes insufficient. In the simple furnace (50s), there is no need to perform separation for each nuclide, so there is no such limitation.
<粒子加速器>
従来型の加速器は、大電力の高周波を加速空洞内に導き、加速電場を形成する方式で、Q値の高い空洞を使用すること、荷電粒子の無い空洞にも高周波が加えられていることなどから、損失が大きく、加速効率(ηa)は、5%以下と低い。
分散型の粒子加速器(62)は、荷電粒子の進行に伴って、荷電粒子付近の加速電極のみに、加速電圧を順次加える方式であるから、加速効率(ηa)が60%と高い特徴がある。(特許文献3、4、非特許文献3)<Particle accelerator>
Conventional accelerators use a high-Q cavity to introduce a high-power high-frequency wave into the accelerating cavity and form an accelerating electric field. The high-frequency cavity is also applied to a cavity without charged particles. Therefore, the loss is large and the acceleration efficiency (η a ) is as low as 5% or less.
The dispersion type particle accelerator (62) is a method in which an accelerating voltage is sequentially applied only to the accelerating electrode near the charged particles as the charged particles progress, and therefore, the acceleration efficiency (η a ) is as high as 60%. is there. (Patent Documents 3 and 4, Non-Patent Document 3)
粒子加速器(62)から打ち出される荷電粒子は、先頭より後方の粒子の速度を早くすることで、軸方向の圧縮を行う。
扁平な形状の粒子加速器(62)を使用する場合、軸方向に圧縮された荷電粒子バンチは、進行方向に対して横一列の配置の荷電粒子バンチを形成する。進行方向を90°屈曲させると、荷電粒子の相対的な位置関係を保ったまま進行方向を変えるから、進行方向に並んだ荷電粒子バンチを形成することができる。The charged particles ejected from the particle accelerator (62) compress in the axial direction by increasing the speed of the particles behind the head.
When a flat particle accelerator (62) is used, the charged particle bunches compressed in the axial direction form charged particle bunches arranged in a row in a horizontal direction with respect to the traveling direction. When the traveling direction is bent by 90 °, the traveling direction is changed while maintaining the relative positional relationship of the charged particles, so that a charged particle bunch aligned in the traveling direction can be formed.
粒子加速器(62)の内部で、荷電粒子ビームの一部が電極や加速器の金属部分と接触したときに、金属が溶解する事故に至ることがある。
荷電粒子の通路と電極との間に強靭なセラミックなどの絶縁容器を設け、事故を防止する。
散乱した荷電粒子が、絶縁容器の内側に触れて帯電を生じ、荷電粒子ビームの軌道に影響を及ぼすため、帯電を除去する必要がある。
このため、適度な導電性を持たせる、あるいは、荷電粒子を発射後、荷電粒子が無い状態で加速動作を行い、強い電界により帯電除去を行う。
Inside the particle accelerator (62), when a part of the charged particle beam comes into contact with an electrode or a metal part of the accelerator, an accident may occur that the metal is melted.
A tough insulating container such as ceramic is provided between the charged particle passage and the electrode to prevent accidents.
The scattered charged particles come into contact with the inside of the insulating container to cause charging, which affects the trajectory of the charged particle beam. Therefore, it is necessary to remove the charging.
For this reason, after imparting appropriate conductivity, or after emitting charged particles, an acceleration operation is performed in the absence of charged particles, and charge is removed by a strong electric field.
<電子レンズ>
電子レンズ(63)には、電界型電子レンズ(63e)と磁界型電子レンズ(63m)があり、電界型電子レンズ(63e)は、収差が大きいとされ、主に粒子加速器、イオン移送路の内部で、荷電粒子バンチが分散しないようにビームを維持する目的で、加速電極の構造として組み込む。
荷電粒子ビーム衝突型核融合炉(50)では、高速の荷電粒子と低速の荷電粒子ビームを同一方向から発射するので、1つの磁界型電子レンズ(63m)を共用して使用し、低速の荷電粒子ビームを発射した後(数μ秒後)に、高速の荷電粒子ビームに合わせた磁界強度に変更する。
<Electronic lens>
The electron lens (63) includes an electric-field-type electron lens (63e) and a magnetic-field-type electron lens (63m). The electric-field-type electron lens (63e) is considered to have large aberration, and is mainly used for a particle accelerator and an ion transfer path. Internally, it is incorporated as a structure of an accelerating electrode in order to maintain a beam so that the charged particle bunch does not disperse.
In the charged particle beam collision-type fusion reactor (50), a high-speed charged particle beam and a low-speed charged particle beam are emitted from the same direction. After the emission of the particle beam (after several microseconds), the magnetic field intensity is changed to the high-speed charged particle beam.
<キャピラリー>
キャピラリー(63c)は、セラミックなど強靭な絶縁体で作製した一方を細く加工したテーパー状の管の構造を利用して、荷電粒子を収束するものである。
キャピラリー(63c)の内壁面に対して微小角度で入射した荷電粒子は、全反射するとともに、次第に狭くなる管の内径形状に従って荷電粒子が絞られ、電界型電子レンズ(63e)あるいは磁界型電子レンズ(63m)とは異なる原理で収束する。
2本以上のキャピラリー(63c)を同一の方向に向けて、近傍に並べて配置することができる。<Capillary>
The capillary (63c) converges the charged particles by using a tapered tube structure made of a tough insulator such as ceramic and one of which is thinned.
The charged particles incident on the inner wall surface of the capillary (63c) at a small angle are totally reflected and the charged particles are squeezed according to the gradually narrowing inner diameter of the tube. (63m) converges on a different principle.
Two or more capillaries (63c) can be arranged side by side in the same direction.
荷電粒子は、キャピラリー(63c)の先端を出た後も個々の粒子の慣性により直進しようとするので、一定の距離において荷電粒子ビームを細く収束することができる。
キャピラリー(63c)の外側に電極を設け、パルス電圧をかけて、キャピラリー(63c)の内部に荷電粒子が残らないようにするとともに、無負荷状態でパルス電圧をかけて、除去動作を行う。
なお、キャピラリー(63c)による荷電粒子の収束は、単結晶または多結晶のセラミックなどの絶縁体キャピラリー(63c)の内面の帯電粒子によるガイディング効果とされるが、金属キャピラリーを構成する原子核による小角前方散乱によっても荷電粒子を収束することが可能であることが確認されている。(特許文献5)
Even after leaving the tip of the capillary (63c), the charged particles try to go straight due to the inertia of each particle, so that the charged particle beam can be narrowly converged at a certain distance.
An electrode is provided outside the capillary (63c), a pulse voltage is applied to prevent charged particles from remaining inside the capillary (63c), and a pulse voltage is applied with no load to perform the removal operation.
The convergence of the charged particles by the capillary (63c) is regarded as a guiding effect by the charged particles on the inner surface of the insulator capillary (63c) such as a single crystal or polycrystalline ceramic. It has been confirmed that charged particles can be converged also by forward scattering. (Patent Document 5)
<偏向器>
荷電粒子の方向を変える偏向器(64)には、電界型偏向器(64e)と磁界型偏向器(64m)がある。
直交する2組の偏向器(64)を用いて、印加する電圧または電流により荷電粒子ビームの飛翔方向を調整する。
高速の荷電粒子ビームと低速の荷電粒子ビームを同一方向から発射する構成であるから、電界型の偏向器(64e)を共用して使用し、低速の荷電粒子ビームを発射した後(数μ秒後)に、高速の荷電粒子ビームに合わせた偏向強度に変更する。
高速の荷電粒子と、低速の荷電粒子を発射する位置が僅かに異なるが、核融合反応率(ηf)を高く維持するためには、低速の荷電粒子バンチ全体を貫くように、高速の荷電粒子バンチ全体を衝突させる必要がある。
このため、低速の荷電粒子が偏向器(64)を通過中に電圧を変更することで、進行方向に対する荷電粒子バンチの傾きを図6(a)のように変え、核融合反応点(51)において、高速の荷電粒子ビームの軸方向に向くように偏向する。<Deflector>
The deflector (64) for changing the direction of the charged particles includes an electric field deflector (64e) and a magnetic field deflector (64m).
The flying direction of the charged particle beam is adjusted by the applied voltage or current using two sets of orthogonal deflectors (64).
Since the high-speed charged particle beam and the low-speed charged particle beam are emitted from the same direction, the low-speed charged particle beam is emitted using the electric field type deflector (64e) in common (for several microseconds). Later), the deflection intensity is changed to match the high-speed charged particle beam.
Although the positions at which the fast charged particles and the slow charged particles are fired are slightly different, in order to maintain a high fusion reaction rate (η f ), the fast charged particles must penetrate the entire slow charged particle bunch. The entire particle bunch needs to collide.
Therefore, by changing the voltage while the slow charged particles are passing through the deflector (64), the inclination of the charged particle bunch with respect to the traveling direction is changed as shown in FIG. At, the beam is deflected so as to face the axial direction of the high-speed charged particle beam.
2つ(またはそれ以上)の高速の荷電粒子を低速の荷電粒子に衝突させるには、それぞれの粒子の発射位置が異なるので、低速の荷電粒子バンチの傾きの修正だけでは、「荷電粒子バンチ全体」を衝突させることは出来ない。
荷電粒子の発射位置と核融合反応点(51)との中間の位置に向けて荷電粒子バンチを順次発射し、当該中間位置に設けた偏向器(64)により核融合反応点(51)に向けて偏向を行い、全ての荷電粒子バンチが同一の軌道を辿って核融合反応点(51)で衝突させる。
In order to cause two (or more) high-speed charged particles to collide with the low-speed charged particles, the firing positions of the respective particles are different. Cannot collide.
The charged particle bunch is sequentially fired toward the intermediate position between the charged particle launch position and the fusion reaction point (51), and directed toward the fusion reaction point (51) by the deflector (64) provided at the intermediate position. All charged particle bunches follow the same orbit and collide at the fusion reaction point (51).
<D−D反応の核融合生成粒子の飛翔>
図6に、D−D反応の燃料粒子と、核融合生成粒子の飛翔状態を示す。
図6(a)に示すように、低速の荷電粒子バンチは直径が2μmで、高速の荷電粒子バンチは直径が1μm前後の双方共に長さ10cm前後(図に長さと太さを同じ比率で描くことができないので、太い楕円形として描いている。)のデューテリウム(D)の荷電粒子バンチが、相対速度0.5MeV(6,900km/s)で衝突し、
図6(b)に示すように、次に示す速度で核融合生成粒子(p、n、T、3He)を等方に飛翔させながら、核融合反応が進行する。
陽子(p):24,000km/s
中性子(n):21,600km/s
トリチウム(T):8,000km/s
ヘリウム3(3He):7,200km/s<Flying of fusion production particles in DD reaction>
FIG. 6 shows the flying state of the fuel particles of the DD reaction and the fusion production particles.
As shown in FIG. 6A, the low-speed charged particle bunch has a diameter of 2 μm, and the high-speed charged particle bunch has a diameter of about 1 μm and a length of about 10 cm. The charged particle bunch of deuterium (D) collides at a relative velocity of 0.5 MeV (6,900 km / s),
As shown in FIG. 6 (b), fusion generates particles at a following speed while flying towards (p, n, T, 3 He) equal, fusion reaction proceeds.
Proton (p): 24,000 km / s
Neutron (n): 21,600 km / s
Tritium (T): 8,000 km / s
Helium 3 (3 He): 7,200km / s
図6(c)に示すように、核融合で生じた核融合生成粒子(p、n、T、3He)は、極短時間で直径2μmの燃料粒子ビームの外に出るから、他の燃料粒子等に衝突・混合することなく飛翔する。
図6(d)に同心円で示すように、等方に飛翔する核融合生成粒子(p、n、T、3He)は、球殻状になって広がっていく。
燃料粒子の一方が0.5MeVの図の下向きの速度を持つから、球殻状に広がる核融合生成粒子の中心は、3,450km/sの速度で図の下に向かって進む。
図の上方向に進む核融合生成粒子(p、n、T、3He)群の飛翔速度が最大3,450km/s減少する。
図の下方向に進む核融合生成粒子(p、n、T、3He)群の飛翔速度は、最大3,450km/sが加わる。As shown in FIG. 6 (c), the fusion-produced particles (p, n, T, 3 He) generated by the fusion exit outside the fuel particle beam having a diameter of 2 μm in a very short time. Fly without colliding or mixing with particles.
As shown by concentric circles in FIG. 6D, the fusion-producing particles (p, n, T, 3 He) flying isotropically spread in a spherical shell shape.
Since one of the fuel particles has a downward velocity of 0.5 MeV in the figure, the center of the fusion-producing particles spreading in a spherical shell travels downward at a speed of 3,450 km / s.
The flight speed of the fusion-producing particles (p, n, T, 3 He) group traveling upward in the figure decreases by 3,450 km / s at the maximum.
A maximum of 3,450 km / s is added to the flight speed of the fusion-producing particles (p, n, T, 3 He) group traveling downward in the figure.
図6(e)に示すように、速度の速い核融合生成粒子から順に、p、n、T、3Heの順に、それぞれの荷電粒子群に分離して、炉の周辺部に順に到達する。(中性子nは、直接電力変換の対象でないので、図6(e)に記載していない。)
速度の遅い粒子に、後方から高速の粒子が追突する確率は極めて小さいから、炉の周辺部(核融合反応点51から5m以上。)において核融合生成荷電粒子(49c)は十分に分離される。As shown in FIG. 6 (e), the charged particles are separated into respective groups of charged particles in the order of p, n, T, and 3 He in order from the fusion-producing particles having the highest speed, and sequentially reach the periphery of the furnace. (Because neutrons n are not directly subjected to power conversion, they are not shown in FIG. 6E.)
Since the probability that high-velocity particles collide with low-velocity particles from the rear is extremely small, the fusion-produced charged particles (49c) are sufficiently separated at the periphery of the furnace (5 m or more from the fusion reaction point 51). .
<高速粒子の衝突順序>
D−D反応とD−T反応を同時に行う場合の衝突順序について検討する。
(1)高速のD粒子と高速のT粒子を同時に、または、高速のD粒子を先に衝突させる場合
低速のD粒子と衝突する前に、高速のD粒子(500keV)とT粒子(100keV)が相対速度400keVで衝突し、D−T反応の核融合反応断面積(σ)は、0.8barnsであるから、D粒子の最大約30%が消滅する。
T粒子が減少するから、次のサイクルのD−T反応も減少し、出力が最大約30%低下する。
(2)高速粒子の1つを異なる方向から衝突させる場合
粒子の衝突の形態は、より理想的なものとなるが、未反応燃料粒子(49n)のイオン回収路(68c)を2カ所に設ける必要があり、炉の構成が複雑になるとともに、電子レンズ(63)などが未反応燃料粒子(49n)に曝される。
(3)高速の粒子同志の衝突を避けるため、高速のD粒子より先に高速のT粒子を衝突させる。
D−T反応により低速のD粒子の密度を部分的に減少させるから、高速のD粒子が衝突する際の核融合反応率(ηf)に変動を与えるが、低速のD粒子の粒子数が十分に多い場合は、その変動は小さい。
また、高速の未反応燃料粒子(49n、D)を再び高速の燃料粒子として循環するから、出力変動を抑制する方向に働く。
以上のことから、衝突順序は(3)を採用する。<High-speed particle collision order>
The collision order when the DD reaction and the DT reaction are performed simultaneously will be examined.
(1) When high-speed D particles and high-speed T particles collide at the same time or high-speed D particles collide first, before colliding with low-speed D particles, high-speed D particles (500 keV) and T particles (100 keV) Collides at a relative velocity of 400 keV, and the fusion reaction cross section (σ) of the DT reaction is 0.8 barns, so that a maximum of about 30% of the D particles disappear.
Since the T particles are reduced, the DT response of the next cycle is also reduced, reducing the output by up to about 30%.
(2) When one of the high-speed particles collides from different directions The collision mode of the particles becomes more ideal, but the ion recovery path (68c) for the unreacted fuel particles (49n) is provided at two places. This necessitates a complicated furnace configuration and exposes the electron lens (63) and the like to the unreacted fuel particles (49n).
(3) In order to avoid collision of high-speed particles, high-speed T particles collide before high-speed D particles.
Since the density of the low-speed D particles is partially reduced by the DT reaction, the fusion reaction rate (η f ) when the high-speed D particles collide varies, but the number of low-speed D particles increases. If it is large enough, the variation is small.
Further, since the high-speed unreacted fuel particles (49n, D) are circulated again as high-speed fuel particles, they work in the direction of suppressing output fluctuation.
From the above, (3) is adopted as the collision order.
図6(f)は、D−D反応の直前(D−D反応の先頭より、60ns前。)に、D−T反応を発生させたときの核融合生成荷電粒子(49c)の飛翔を表している。
D−T反応を加えると、核融合生成荷電粒子(49c)にヘリウム4(4He、3.52MeV、13,000km/s)が加わり、D−D反応のp粒子と交差して飛翔するが、互いに衝突する確率は低い。
方向別では、非対称衝突を原因とする飛翔速度の差が含まれるが、炉の周辺部(核融合反応点51から5m以上。)において、p粒子と4He粒子は、その他の粒子と十分に分離している。
T粒子と3He粒子は、分離できているが、非対称衝突を原因とする飛翔方向(図中に、↓、←→、↑の矢印で示す。)による飛翔速度の差が大きく、図6(f)に示すとおり、一定の方向範囲(例えば30°の範囲)の粒子を収集した場合、T粒子と3He粒子との混合が生じる。
核融合反応点(51)を炉の中心(53)より10〜50cm上部に設定することで、非対称性の影響を若干減少できる。FIG. 6F shows the flight of the fusion-produced charged particles (49c) when the DT reaction was generated immediately before the DD reaction (60 ns before the beginning of the DD reaction). ing.
The addition of D-T reaction, helium 4 to fusion product charged particles (49c) (4 He, 3.52MeV , 13,000km / s) is applied, but flies intersect the p particles of D-D reactions , The probability of collision with each other is low.
Although the difference in flight speed due to the asymmetric collision is included in each direction, in the periphery of the furnace (5 m or more from the fusion reaction point 51), p particles and 4 He particles are sufficiently different from other particles. Are separated.
Although the T particles and the 3 He particles can be separated, there is a large difference in flight speed depending on the flight direction (indicated by arrows ↓, ← →, ↑ in the figure) due to the asymmetrical collision, and FIG. As shown in f), when particles in a certain direction range (for example, a range of 30 °) are collected, mixing of T particles and 3 He particles occurs.
By setting the fusion reaction point (51) 10 to 50 cm above the center (53) of the furnace, the effect of asymmetry can be slightly reduced.
<D−3He反応の核融合反応率>
先に「D−3He」反応の核融合反応率(ηf)について、検討する。
簡易炉(50s)では、入手が容易なデューテリウム(D)を低速ビームとし、入手が困難なヘリウム3(3He)を高速ビームとして使用する。
D−3He反応の反応断面積(σ)は、約1barns(10−24cm2)である。
200MWの発電炉を構成する場合、毎秒7.28×1019個の粒子が核融合することが必要である。
毎秒1000回の衝突を行うとし、
長さが10cm、直径1μmに絞り込まれた高速のヘリウム3(3He)の荷電粒子バンチを、
長さが10cm、直径2μmで、粒子数が8倍の低速のデューテリウム(D)の荷電粒子バンチに打ち込むとき
衝突誤差(δ)は±0.5μmまで許容でき、低速のデューテリウム(D)の粒子密度(ρ)は、
ρ=7.28×1019×8/(f×π×(1×10−4)2×10)
≒1.85×1024[cm3]
である。ただし、荷電粒子バンチの形状が理想どおりの円筒形ではでないこと、低速粒子は衝突により消滅して順次減少することなどから、低速の荷電粒子バンチの粒子密度(ρ)が2分の1であるとして、
ρ≒0.927×1024[cm3]
とする。<Nuclear fusion reaction rate of the D- 3 He reaction>
Nuclear fusion reaction rate of the previous to "D- 3 He" reaction for (η f), to consider.
In simple furnace (50s), availability and easy deuterium (D) and low-speed beam, used helium-3 to obtain is difficult (3 the He) as a high speed beam.
Reaction cross sections of D-3 the He reaction (sigma) is about 1barns (10 -24 cm 2).
When constructing a 200 MW power reactor, it is necessary that 7.28 × 10 19 particles per second fuse.
Suppose you make 1000 collisions per second,
A high-speed charged particle bunch of helium 3 ( 3 He) narrowed to 10 cm in length and 1 μm in diameter,
When driving into a low-speed deuterium (D) charged particle bunch with a length of 10 cm, a diameter of 2 μm, and eight times the number of particles Collision error (δ) is acceptable up to ± 0.5 μm, and a low-speed deuterium (D) The particle density (ρ) of is
ρ = 7.28 × 10 19 × 8 / (f × π × (1 × 10 −4 ) 2 × 10)
≒ 1.85 × 10 24 [cm 3 ]
It is. However, the particle density (ρ) of the low-speed charged particle bunch is 低速 because the shape of the charged particle bunch is not an ideal cylindrical shape, and the low-speed particles disappear due to collision and gradually decrease. As
ρ ≒ 0.927 × 10 24 [cm 3 ]
And
1/eの粒子が衝突する平均自由行程(λe)は、核融合反応断面積(σ)が1×10−24cm2であるから、
λe=1/(ρ・σ)
≒1.08[cm]
直径1μm、長さ10cmの円筒で衝突すると、
(1−1/e)10/1.08=1.42×10−2
となるから、高速の燃料粒子であるヘリウム3(3He)は、ほぼ消滅する。The mean free path (λe) where 1 / e particles collide is 1 × 10 −24 cm 2 because the fusion reaction cross section (σ) is 1 × 10 −24 cm 2 .
λe = 1 / (ρ · σ)
$ 1.08 [cm]
When colliding with a cylinder with a diameter of 1 μm and a length of 10 cm,
(1-1 / e) 10 / 1.08 = 1.42 × 10 −2
Therefore, helium 3 ( 3 He), which is high-speed fuel particles, almost disappears.
一方、低速の燃料粒子であるデューテリウム(D)の87%以上が、未反応燃料粒子(49n)となるので、未反応燃料粒子(49n)を循環して再利用することで、利用率を向上する。
低速の燃料粒子(D)を1keVで循環した場合、速度は、310km/sであるから、1ミリ秒で循環する場合、およそ300mの長さの燃料粒子循環路(69)を構成する必要がある。(粒子の速度を下げることで、燃料粒子循環路(69)の長さを短くすることが可能である。)
高速のヘリウム3(3He)の未反応燃料粒子(49n)は、安全性の問題は無く、微量であることから、散乱粒子(49s)とともにイオン中和器(70)によりガスに戻して、ガスボンベ(79)等に回収する。On the other hand, 87% or more of deuterium (D), which is a low-speed fuel particle, becomes unreacted fuel particles (49n). Therefore, by circulating and reusing unreacted fuel particles (49n), the utilization rate is reduced. improves.
When the low speed fuel particles (D) are circulated at 1 keV, the speed is 310 km / s. Therefore, when circulating at 1 ms, it is necessary to form a fuel particle circulation path (69) having a length of about 300 m. is there. (By reducing the velocity of the particles, it is possible to shorten the length of the fuel particle circulation path (69).)
Fast helium 3 (3 the He) unreacted fuel particles (49n) are safety issues is not, since it is very small, back to the gas by the scattering particles (49s) with an ion neutralizer (70), Collect in a gas cylinder (79) or the like.
<核融合反応率>
表4は、「D−3He」反応、「D−D」反応及び「D−T」反応の核融合反応率(ηf)の計算表である。(未反応率(1−ηf)で表示する。)
核融合周期(f)は、1秒間に発生させる核融合の回数を表している。
核融合周期(f)を2倍の毎秒2000回とした場合、低速粒子の密度(ρ)は、同一で、1秒間に打ち出す低速粒子数及び低速のイオン電流(IL)は、共に2倍となる。高速粒子の粒子数及び高速のイオン電流(IH)は同一で、バンチ毎の粒子数は、2分の1になる。
従って、核融合周期(f)を上げると、衝突による低速粒子の減少が少なくなるから、核融合反応率(ηf)を高く維持できると期待できるが、粒子加速器(62)等を含む燃料粒子循環路(69)の長さを短縮する必要があるため、上限がある。
表4 核融合反応率計算表<Fusion reaction rate>
Table 4, "D-3 the He" reaction is the calculation table of the "D-D" reaction and fusion reaction rate of the "D-T" reaction (η f). (Indicated by unreacted rate (1-η f ))
The fusion cycle (f) represents the number of fusions that occur in one second.
When the fusion cycle (f) is doubled to 2000 times per second, the density (ρ) of the slow particles is the same, and the number of slow particles ejected per second and the slow ion current ( IL ) are both doubled. Becomes The number of fast particles and the fast ion current (I H ) are the same, and the number of particles per bunch is halved.
Therefore, when the fusion cycle (f) is increased, the reduction of low-velocity particles due to collisions is reduced. Therefore, it can be expected that the fusion reaction rate (η f ) can be maintained high. There is an upper limit because it is necessary to shorten the length of the circulation path (69).
Table 4 Nuclear fusion reaction rate calculation table
「D−D」反応及び「D−T」反応の核融合反応率(ηf)と「トリチウム消滅連携炉」について検討を行う。
D−D反応は、核融合反応断面積(σ)が0.13barns(0.13×10−24cm2)と小さいため、核融合反応率(ηf)は50%前後となるから、表4の計算表では、高速の荷電粒子を必要とする粒子数(1.45×1020個)の2倍(2.91×1020個)に設定することで、この問題を回避している。
高速の未反応燃料粒子(49n、D)は、減速して循環し、再度加速して高速の燃料粒子(D)として再利用する。
核融合生成荷電粒子(49c)のうち、トリチウム(T)は、即座に分離して回収し、1keV以下に減速してD−T反応炉に送る。We study the fusion reaction rates (η f ) of “DD” and “DT” reactions and “tritium annihilation cooperative reactor”.
In the DD reaction, since the fusion reaction cross section (σ) is as small as 0.13 barns (0.13 × 10 −24 cm 2 ), the fusion reaction rate (η f ) is about 50%. In the calculation table of No. 4, this problem is avoided by setting the number of particles (1.45 × 10 20 particles) requiring high-speed charged particles to twice (2.91 × 10 20 particles). .
The high-speed unreacted fuel particles (49n, D) circulate at a reduced speed, accelerate again, and are reused as high-speed fuel particles (D).
Of the fusion-produced charged particles (49c), tritium (T) is immediately separated and recovered, and is decelerated to 1 keV or less and sent to a DT reactor.
D−T反応は、核融合反応断面積(σ)が5barns(5×10−24cm2)と大きいので、核融合反応率(ηf)は99.99%以上となるから、トリチウム(T)は、ほぼ完全に消滅である。
D−T反応の核融合反応領域(52)の実効的な長さ(99%の粒子が反応する長さ)は、1cm前後と短い。
荷電粒子ビームが正しく衝突しなかった場合は、多量のトリチウム(T)が未反応となるので、必ず未反応粒子(49n)を分離して回収し、再度トリチウム(T)の消滅を試みる循環可能な構成にしておく必要がある。In the DT reaction, since the fusion reaction cross section (σ) is as large as 5 barns (5 × 10 −24 cm 2 ), the fusion reaction rate (η f ) becomes 99.99% or more. ) Is almost completely extinguished.
The effective length of the fusion reaction region (52) of the DT reaction (length at which 99% of the particles react) is as short as about 1 cm.
If the charged particle beam does not collide correctly, a large amount of tritium (T) will be unreacted, so it is necessary to separate and collect the unreacted particles (49n) and recycle to try to extinguish the tritium (T) again. It is necessary to have a proper configuration.
3He−3He反応については、表4の計算表に掲げなかったが、核融合反応断面積(σ)が0.01barnsと小さく、十分な核融合反応率(ηf)を確保するために、荷電粒子の密度を1〜2桁高く設定する必要がある。
荷電粒子ビームの密度が高いと、核融合反応率(ηf)が格段に高くなるので、0.1μm〜0.3μmに収束させてビームの密度を10〜100倍高くすることが前提となる。
中性子(n)の発生率は、燃料粒子に含まれる異原子混入率の積であると考えて良いから、D粒子の混入率が10−9である場合、中性子(n)の発生率が10−18と極めて少ない、という優れた特徴を有する。
Although the 3 He- 3 He reaction was not listed in the calculation table of Table 4, the fusion reaction cross-sectional area (σ) was as small as 0.01 barns, and in order to secure a sufficient fusion reaction rate (η f ). , It is necessary to set the density of charged particles higher by one to two orders of magnitude.
When the density of the charged particle beam is high, the nuclear fusion reaction rate (η f ) is significantly increased. Therefore, it is assumed that the beam density is converged to 0.1 μm to 0.3 μm to increase the beam density by 10 to 100 times. .
Since the neutron (n) generation rate can be considered to be the product of the heteroatom mixing rate contained in the fuel particles, if the D particle mixing rate is 10 −9 , the neutron (n) generation rate is 10%. It has an excellent feature that it is extremely small at -18 .
<直接電力変換>
核融合生成荷電粒子(49c)の通過経路の周囲に導体を置き、荷電粒子が導体の近傍を通過することによる電磁誘導作用により電気エネルギー(E)を得ることができる。
電気エネルギー(E)に変換された分、荷電粒子の運動エネルギー(K)が減少し、減速することができる。
中性子(n)は電荷を持たないので、直接電力変換の対象ではない。<Direct power conversion>
A conductor is placed around the passage of the fusion-produced charged particles (49c), and electric energy (E) can be obtained by electromagnetic induction caused by the passage of the charged particles near the conductor.
The kinetic energy (K) of the charged particles is reduced by the amount converted to the electric energy (E), and the charged particles can be decelerated.
Neutrons (n) have no charge and are not directly subject to power conversion.
核融合生成粒子は、核融合反応点(51)を先頭とする核融合反応領域(52)から周辺に向かって等方に飛翔する。
核融合生成荷電粒子(49c)の運動エネルギー(K)を直接電力に変換するには、核融合反応領域(52)を囲むように、回生減速器(67E)を隙間なく配置する必要がある。
核融合反応領域(52)から周辺に向かって広がる核融合生成荷電粒子(49c)を、多面体(32)の面毎に分担して収束した上で、回生減速器(67E)に導く。
なお、図7(c)に多面体(32)の一例として32面体を例示するが、面数の異なるもの、全体形状が円筒形の多面体などであっても良い。The fusion-producing particles fly isotropically from the fusion reaction region (52) headed by the fusion reaction point (51) toward the periphery.
In order to directly convert the kinetic energy (K) of the fusion-produced charged particles (49c) into electric power, it is necessary to arrange the regenerative moderator (67E) without a gap so as to surround the fusion reaction region (52).
The fusion-produced charged particles (49c) spreading from the fusion reaction region (52) toward the periphery are shared and converged for each surface of the polyhedron (32), and then guided to the regenerative speed reducer (67E).
FIG. 7C illustrates a polyhedron (32) as an example of a polyhedron (32). However, a polyhedron having a different number of faces, a cylindrical polyhedron, or the like may be used.
<荷電粒子収束器>
凹面形状を有する非球面静電界グリッド電極(56e)を±60°の取込み角度を実現する方法が提案(特許文献6)されているが、核融合生成荷電粒子(49c)の運動エネルギー(K)が800keV〜14MeVと高いから、収束するのに要する電圧も極めて高くなるので、現実的ではない。
また、荷電粒子の速度、質量電荷比(m/z)によっても焦点距離が異なってくる。
図7(a)は、楕円の内面形状を利用した荷電粒子収束器(56)の説明図である。
楕円は、2つの焦点を持ち、1方の焦点から発した粒子は、楕円の内側の任意の点(Λ)で反射し、その入射角(θ1)と反射角(θ2)とが等しく、他方の焦点に収束する性質がある。
図7(a)の核融合反応点(51)を焦点とする複数の荷電粒子収束器(56)を配置することで、荷電粒子の質量電荷比(m/z)によらず、全方位に広がる荷電粒子を分担して収束することができる。<Charged particle concentrator>
A method of realizing a take-in angle of ± 60 ° with an aspherical electrostatic field grid electrode (56e) having a concave shape has been proposed (Patent Document 6). Is as high as 800 keV to 14 MeV, the voltage required for convergence becomes extremely high, which is not practical.
The focal length also varies depending on the speed of charged particles and the mass-to-charge ratio (m / z).
FIG. 7A is an explanatory diagram of a charged particle convergent device (56) using an elliptical inner surface shape.
An ellipse has two focal points, and a particle emitted from one focal point is reflected at an arbitrary point (Λ) inside the ellipse, and its incident angle (θ 1 ) and reflection angle (θ 2 ) are equal. Have the property of converging to the other focus.
By arranging a plurality of charged particle concentrators (56) focusing on the fusion reaction point (51) in FIG. 7 (a), the charged particles can be omnidirectional regardless of the mass-to-charge ratio (m / z). The spread charged particles can be shared and converged.
また、荷電粒子は、荷電粒子収束器(56)の内壁面に浅い角度(θ1<10°)で衝突するので、直角または直角に近い角度で衝突する場合と比較して、内壁面への衝撃が大きく緩和される。
荷電粒子収束器(56)の核融合反応点(51)に近い側は、複数の荷電粒子収束器(56)の壁面が重複することになるので、重複部分(破線で作図している部分)の壁面を取り去った形状にして、多面体(32)の構成面ごとに荷電粒子収束器(56)を配置する。In addition, since the charged particles collide with the inner wall surface of the charged particle converging device (56) at a shallow angle (θ 1 <10 °), the charged particles collide with the inner wall surface at a right angle or an angle close to a right angle. Impact is greatly reduced.
On the side of the charged particle concentrator (56) near the fusion reaction point (51), the wall surfaces of the plurality of charged particle concentrators (56) overlap, so that the overlapping portion (the portion drawn by a broken line) The charged particle concentrator (56) is arranged for each of the constituent surfaces of the polyhedron (32) in a shape in which the wall surface is removed.
荷電粒子収束器(56)の核融合反応点(51)から遠い方の焦点付近の形状は、徐々に細くし、ゆるやかに荷電粒子を収束している。
荷電粒子収束器(56)は、セラミックスなどの強靭な絶縁体材料を用いて作成し、その外側には、帯電除去の電極(71、#1〜3)を設けて、プラスの高電圧を加えて、核融合生成荷電粒子(49c)の帯電を防止する。
中心側から外側の電極(71、#1から#3)に向けて順にパルス状に高電圧を加え、帯電した荷電粒子を除去する。
核融合生成荷電粒子(49c)の通過に伴って、電極(71)に電流が流れると、荷電粒子の運動エネルギー(K)が減少するので、誘導電流が流れにくい円周方向のすだれ状の電極形状にする。
The shape of the charged particle concentrator (56) near the focal point far from the fusion reaction point (51) is gradually narrowed, and the charged particles are gradually focused.
The charged particle concentrator (56) is made of a tough insulator material such as ceramics, and on the outside thereof, electrodes (71, # 1 to 3) for removing static electricity are provided, and a positive high voltage is applied. Thus, the fusion-produced charged particles (49c) are prevented from being charged.
A high voltage is applied in a pulsed manner from the center side to the outer electrodes (71, # 1 to # 3) in order to remove charged charged particles.
When a current flows through the electrode (71) with the passage of the fusion-produced charged particles (49c), the kinetic energy (K) of the charged particles is reduced. Shape.
<荷電粒子分離器>
図7(b)は、扇型磁場(68m)により構成した荷電粒子分離器(68x)の説明図である。
核融合生成荷電粒子(49c)の運動エネルギー(K)を電気エネルギー(E)に変換し、粒子を減速した後、質量電荷比(m/z)の違いにより核融合生成荷電粒子(49c)を核種毎に分離を行う。
速度(v)、質量(m)、電荷(q)の荷電粒子は、磁界(B)内では、
mv2/r=qvB
であるから、磁束(B)と直交する面に対して半径(r)で回転し、電界(E)内では、
(1/2)mv2=qE
であるから、電界(E)の方向に加速する。 <Charged particle separator>
FIG. 7B is an explanatory diagram of a charged particle separator (68x) constituted by a fan-shaped magnetic field (68 m).
The kinetic energy (K) of the fusion-produced charged particles (49c) is converted into electric energy (E), and the particles are decelerated. Separate for each nuclide.
The charged particles of velocity (v), mass (m), and charge (q) in a magnetic field (B)
mv 2 / r = qvB
Therefore, it rotates at a radius (r) with respect to a plane perpendicular to the magnetic flux (B), and within the electric field (E),
(1/2) mv 2 = qE
Therefore, it accelerates in the direction of the electric field (E).
表5 質量電荷比(m/z)と回転半径の計算表
表5に質量電荷比(m/z)と1テスラの磁界中における回転半径の計算表を示す。
トリチウム(T)とヘリウム3(3He)の磁界中の回転半径が異なるから、容易に分離できる。
核融合生成荷電粒子のトリチウム(T)と陽子(p)は、磁界中の回転半径が同一であるため、磁界だけでは分離することが難しいが、飛翔速度が違うから荷電粒子分離器(68x)に達するまでに速度差で分離している。
また、D−D反応とD−T反応を同時に行う場合は、ヘリウム4(4He)が加わり、2番目に飛翔してくるが、トリチウム(T)の回転半径とほぼ同一であるから、分離が難しい。
ヘリウム4(4He)が飛翔速度差で分離できるように、D−T反応をD−D反応の直前に発生させ、最初に飛翔してくる陽子(p)と2番目のヘリウム4(4He)に対して、外側の電極(71、#1)にマイナスの偏向電圧を加え、内側の電極(71、#2)にプラスの偏向電圧を加えて、外側に向けて陽子(p)とヘリウム4(4He)を加速して分離する。 Table 5 Calculation table of mass-to-charge ratio (m / z) and radius of gyration Table 5 shows a calculation table of mass-to-charge ratio (m / z) and radius of gyration in a magnetic field of 1 Tesla.
Since the rotation radius of the magnetic field of tritium (T) and helium 3 (3 He) is different, it can be easily separated.
The tritium (T) and the proton (p) of the fusion-produced charged particles have the same radius of gyration in the magnetic field, so it is difficult to separate them by the magnetic field alone. Separating by the speed difference until reaching.
In the case of performing D-D reaction and D-T reactions simultaneously, helium 4 (4 He) is applied, come to fly to the second, but since it is almost the same as the rotation radius of tritium (T), separated Is difficult.
Helium 4 as (4 the He) can be separated at a flying speed difference, D-T reaction is generated immediately before the D-D reactions, first flight to come protons (p) and the second helium 4 (4 the He ), A negative deflection voltage is applied to the outer electrode (71, # 1), a positive deflection voltage is applied to the inner electrode (71, # 2), and the proton (p) and helium are directed outward. 4 ( 4 He) is accelerated and separated.
回生減速器(67E、#10)は、設置できる長さに制限があること、荷電粒子を減速しすぎると、到達時間差で分離した荷電粒子が混合する原因となることから、若干の減速を行った後に荷電粒子分離器(68x)による分離を行っている。
質量電荷比(m/z)が小さい粒子ほど、減速の効果が大きく現れるから、磁界中の回転半径も異なってくる。
到達時間差により分離した核融合生成荷電粒子(49c)が、再度混合しない範囲で減速することで、荷電粒子分離器(68x)に要する偏向磁界・電界の強度を若干下げることができる。The regenerative speed reducer (67E, # 10) has a limited length that can be installed, and if the charged particles are excessively decelerated, the charged particles separated by the arrival time difference may be mixed. After that, separation by a charged particle separator (68x) is performed.
Particles having a smaller mass-to-charge ratio (m / z) have a larger deceleration effect, and therefore have a different radius of gyration in a magnetic field.
The fusion-produced charged particles (49c) separated by the arrival time difference are decelerated within a range where they do not mix again, so that the intensity of the deflection magnetic field and electric field required for the charged particle separator (68x) can be slightly reduced.
荷電粒子分離器(68x)により分離された荷電粒子は、回生減速器(67E、#11〜#15)に送り、荷電粒子に残存する運動エネルギー(K)を電気エネルギー(E)に変換する。
図7(b)には、回生減速器(67E、#11〜#15)の配置を放射状に描いているが、磁気偏向を加える、あるいは、緩やかな曲面を用いることで荷電粒子の方向を変えることができるから、回生減速器(67E、#11〜#15)を平行に、あるいは、周回するように配置することができる。 The charged particles separated by the charged particle separator (68x) are sent to a regenerative speed reducer (67E, # 11 to # 15), and convert the kinetic energy (K) remaining in the charged particles into electric energy (E).
In FIG. 7B, the arrangement of the regenerative reducers (67E, # 11 to # 15) is drawn radially, but the direction of the charged particles is changed by applying a magnetic deflection or using a gentle curved surface. Therefore, the regenerative speed reducers (67E, # 11 to # 15) can be arranged in parallel or to go around.
荷電粒子分離器(68x)及び回生減速器(56)が、中性子(n)が外部に漏れる経路となり得るので、核融合反応点(51)に対して、回生減速器(67E)の中心軸を外して取り付けるとともに、荷電粒子分離器(68x)の屈曲部分を中性子遮蔽室(67s)の中央部に配置することにより、中性子(n)が直線的に漏えいするのを防ぐ構造とすることができる。
D−3He反応を併せ行う場合は、核融合生成荷電粒子(49c)に14MeVの高速の陽子(p)が加わる。
除電された帯電粒子や荷電粒子ビームの衝突の際に生じた散乱粒子(49s)は、核融合生成荷電粒子(49c)より速度が遅いので、最も内側の回生減速器(67E、#15)に導かれる。Since the charged particle separator (68x) and the regenerative moderator (56) can be a path through which the neutrons (n) leak to the outside, the central axis of the regenerative moderator (67E) is moved relative to the fusion reaction point (51). By detaching and attaching, and arranging the bent portion of the charged particle separator (68x) at the center of the neutron shielding chamber (67s), it is possible to prevent the neutron (n) from leaking linearly. .
When performing combined D-3 the He reaction, fast proton 14MeV to fusion product charged particles (49c) (p) is applied.
Since the speed of the scattered particles (49s) generated at the time of the collision of the charged particles or the charged particle beam having the static elimination is lower than that of the fusion-produced charged particles (49c), the innermost regenerative decelerator (67E, # 15) is used. Be guided.
荷電粒子分離器(68x)に進入する核融合生成荷電粒子(49c)の質量は、0.1〜0.5mg/banchと微量だが、速度が7,000〜53,000km/sと高速であることから、衝突時の衝撃力は、10kgf〜30kgfに達する。
核融合周期(f)が可聴周波数範囲内にあり、偏向の反作用により音響雑音を発する。
核融合周期(f)の繰り返し周期を短くすることで、可聴周波数域を超え、バンチ当りの核融合生成荷電粒子(49c)を減少させることで、衝撃力を減少させ、音響雑音を低減することができる。
図7(b)では、80°以上に屈曲させているが、より少ない屈曲角度で粒子の分離が可能であり、核融合生成荷電粒子(49c)を分離後に逆方向に偏向することで衝撃力を相殺し、音響雑音を低減することができる。The mass of the fusion-produced charged particles (49c) entering the charged particle separator (68x) is as small as 0.1 to 0.5 mg / bunch, but the speed is as high as 7,000 to 53,000 km / s. Therefore, the impact force at the time of collision reaches 10 kgf to 30 kgf.
The fusion period (f) is in the audio frequency range and emits acoustic noise due to the reaction of the deflection.
By shortening the repetition period of the fusion cycle (f), exceeding the audible frequency range and reducing the number of fusion-produced charged particles (49c) per bunch, reducing impact force and reducing acoustic noise. Can be.
In FIG. 7B, the particles are bent at an angle of 80 ° or more. However, particles can be separated with a smaller bending angle, and the impact force is obtained by deflecting the fusion-produced charged particles (49c) in the opposite direction after separation. , And acoustic noise can be reduced.
<回生減速器>
荷電粒子の照射に耐える筒状の強靭なセラミックなどで作製し、外側に荷電粒子と電磁結合させる電極を形成し、荷電粒子の運動エネルギー(K)を直接電気エネルギー(E)に変換する。<Regenerative reducer>
It is made of a tough, cylindrical ceramic or the like that can withstand the irradiation of charged particles. Electrodes that are electromagnetically coupled to the charged particles are formed on the outside, and the kinetic energy (K) of the charged particles is directly converted to electric energy (E).
D−3He反応を毎秒1000回のレートで発生し、核融合生成荷電粒子(49c)が7.28×1019個/秒である場合、陽子の荷電粒子流は11.7Aの電流に相当し、1つの荷電粒子バンチの陽子の個数は、7.28×1016個であるから、毎秒0.0117クーロンの正電荷が53,000km/sの速度で、1000回通過するのに等しい。(1mを、およそ20nsで通過する。)
ヘリウム4(4He)の荷電粒子流であれば、23.3Aの電流に相当し、毎秒0.0233クーロンの正電荷が13,300km/sの速度で、1000回通過するのに等しい。The D-3 the He reaction occurs at 1000 times per second rate, when nuclear fusion generated charged particles (49c) is 7.28 × 10 19 atoms / sec, protons charged particle stream of corresponds to a current of 11.7A Since the number of protons in one charged particle bunch is 7.28 × 10 16 , this is equivalent to passing a positive charge of 0.0117 coulomb per second 1000 times at a speed of 53,000 km / s. (It passes 1 m in about 20 ns.)
If the charged particle stream of helium 4 (4 He), corresponds to a current of 23.3A, per 0.0233 Coulomb positive charge at a rate of 13,300km / s, equal to pass 1000 times.
200MWの電力を送電する場合、直流50kVの電圧であれば、4kAの電流を取り扱う。
D−3He反応炉の総出力215MWのうち、陽子(p)が172MW、ヘリウム4(4He)が43MWの運動エネルギー(K)を持っている。
32の系統の300素子の回生減速器(67E)を用いて回生する場合、1素子あたり56kW前後の電力を担うことになり、各素子は、50kV、平均電流として最大1.2Aを取り扱う。
各素子に誘起する誘導電流は、波形比の大きいパルス状(10ns〜100ns/1ms)であるから、ピーク電圧、ピーク電流に耐えられる素子を使用する必要がある。When transmitting 200 MW of power, a DC current of 50 kV handles a current of 4 kA.
Of the total output 215MW of D-3 the He reactor, proton (p) is 172MW, helium 4 (4 He) has a 43MW kinetic energy (K).
In the case of regenerating using a 300-element regenerative speed reducer (67E) of 32 systems, each element carries about 56 kW of power, and each element handles 50 kV and a maximum current of 1.2 A as an average current.
Since the induced current induced in each element is a pulse (10 ns to 100 ns / 1 ms) having a large waveform ratio, it is necessary to use an element that can withstand the peak voltage and the peak current.
図8(a)は、3素子の静電結合型の回生減速器(67e)である。筒状の容器の外側に静電結合を行う電極(71)を形成している。
荷電粒子バンチが接近するときは、電極(71)と正極(+)に繋がる整流器(67d+)が導通し、電極は+25kVにバイアスされる。荷電粒子バンチが遠ざかるときは、電極(71)と負極(−)に繋がる整流器(67d−)が導通し、電極は−25kVにバイアスされる。
2つの素子の電極(71、#1、#2)は、一方には接近、他方は遠ざかる。電極(71、#1、#2)のギャップには、50kVの減速電界を形成することになるから、核融合荷電粒子(49c)を減速させる。
それぞれの電極(71)に極めて細い正と負のパルス状の電力が得られ、多数段の電極(71)の出力を整流して合成し、平滑することで、直流の電気エネルギー(E)を得る。FIG. 8A shows a three-element electrostatic coupling type regenerative speed reducer (67e). An electrode (71) for performing electrostatic coupling is formed outside the cylindrical container.
When the charged particle bunch approaches, the rectifier (67d +) connected to the electrode (71) and the positive electrode (+) conducts, and the electrode is biased to +25 kV. When the charged particle bunch moves away, the rectifier (67d-) connected to the electrode (71) and the negative electrode (-) conducts, and the electrode is biased to -25 kV.
The electrodes (71, # 1, # 2) of the two elements are close to one and away from the other. Since a deceleration electric field of 50 kV is formed in the gap between the electrodes (71, # 1, # 2), the fusion charged particles (49c) are decelerated.
Extremely thin positive and negative pulse-like power is obtained at each electrode (71), and the output of the multi-stage electrode (71) is rectified, combined, and smoothed, thereby converting the DC electric energy (E). obtain.
図8(b)は、磁気結合型の回生減速器(67m)である。
筒状の容器の外側に磁性体(72、比透磁率(μ/μ0)が1である場合を含む。)により磁気結合した電極(71)を形成している。
電磁誘導により荷電粒子流と磁気結合した電極(71)にパルス状の電力が得られ、整流器(67d+、67d−)が導通し、整流して平滑することで、直流の電気エネルギー(E)を得る。
磁性体(72)の透磁率(μ)、電極(71)の長さ等によって、荷電粒子バンチに対する結合が決まり、後段の回生減速器(67E)ほど、静電結合量と磁気結合量を大きくする。
現実の回生減速器(67E)は、静電結合型(67e)との磁気結合型(67m)とを重ね合せた結合状態であり、図8の(a)と(b)は、この点を考慮した整流器(67d+、67d−)の配置である。
FIG. 8B shows a magnetic coupling type regenerative speed reducer (67 m).
A magnetic material (72, including a case where the relative magnetic permeability (μ / μ 0 ) is 1) is magnetically coupled to form an electrode (71) outside the cylindrical container.
Pulsed power is obtained at the electrode (71) magnetically coupled to the charged particle flow by electromagnetic induction, and the rectifiers (67d +, 67d-) conduct, rectify and smooth, thereby converting the DC electric energy (E). obtain.
The coupling to the charged particle bunch is determined by the magnetic permeability (μ) of the magnetic body (72), the length of the electrode (71), and the like. I do.
The actual regenerative speed reducer (67E) is in a coupling state in which an electrostatic coupling type (67e) and a magnetic coupling type (67m) are overlapped, and FIGS. 8A and 8B show this point. This is the layout of the rectifiers (67d +, 67d-) considered.
図8(c)は、回生減速器(67E)の負荷として、抵抗体(67R)を接続した例である。
回生減速器(67E)から離れた位置で、抵抗体(67R)を発熱させ、荷電粒子の運動エネルギー(K)を熱エネルギー(Q)に変換することができる。
電極(71)自体を抵抗体(67R)とすることもできる。
回生減速器(67E)に抵抗体(67R)を接続して熱エネルギー(Q)に変換し、熱発電に一本化する、直接電力変換を用いない構成方法もある。
熱発電については、熱効率(ηQ)を60%(TH=750℃)として計算を示したが、熱出力は、熱交換器の耐熱温度まで上げることができるから、カルノーサイクルの理論熱効率(ηQ)から高温源(TH)が1300°Kであれば77%、高温源(TH)が1800°Kであれば80%を超える熱効率(ηQ)が期待できる。
ηQ = 1−(TL/TH)
FIG. 8C shows an example in which a resistor (67R) is connected as a load of the regenerative speed reducer (67E).
At a position away from the regenerative speed reducer (67E), the resistor (67R) can generate heat and convert the kinetic energy (K) of the charged particles into thermal energy (Q).
The electrode (71) itself may be a resistor (67R).
There is also a configuration method that does not use direct power conversion, in which a resistor (67R) is connected to a regenerative speed reducer (67E) to convert the energy into thermal energy (Q) and integrate it into thermal power generation.
For the thermal power generation, the calculation is shown assuming that the thermal efficiency (η Q ) is 60% (T H = 750 ° C.). However, since the heat output can be increased to the heat-resistant temperature of the heat exchanger, the theoretical thermal efficiency of the Carnot cycle ( eta Q) from a hot source (T H) is 1300 ° K in the case when 77% can be expected thermal efficiency (eta Q) is a high temperature source (T H) is greater than 80% for 1800 ° K.
η Q = 1− ( TL / TH )
荷電粒子バンチが電極(71、#1)を通り過ぎる時、−25kVにバイアスされた電極(71、#1)にバンチの尾部の荷電粒子を引き寄せるから、一部の荷電粒子が電極(71、#1)周辺に残留若しくは帯電する。
次の荷電粒子バンチが近づくと、電極(71、#1)は、+25kVにバイアスされ、残留(帯電)した荷電粒子は、はじき飛ばされるが、核種の異なる荷電粒子が混合する原因となってしまう。(簡易炉(50s)では、核種の分離を行わないので、混合しても支障は生じない。)
荷電粒子バンチの末端が電極(71、#2)を通り過ぎ、電極(71、#2)が−25kVに変化するタイミングで、電極(71、#1)のスイッチ(67sw)を導通し、電極(71、#1)を+25kVにバイアスすることで、残留若しくは帯電した粒子を電極(71、#2)の方向にはじき飛ばし、荷電粒子の核種の混合を予防する。When the charged particle bunch passes the electrode (71, # 1), some charged particles attract the charged particle at the tail of the bunch to the electrode (71, # 1) biased to −25 kV, so that some of the charged particles bunch off the electrode (71, # 1). 1) Residual or charged around.
When the next charged particle bunch approaches, the electrode (71, # 1) is biased to +25 kV, and the remaining (charged) charged particles are repelled but cause mixed particles of different nuclides. (Since the nuclides are not separated in the simple furnace (50s), mixing does not cause any problem.)
At the timing when the end of the charged particle bunch passes the electrodes (71, # 2) and the electrodes (71, # 2) change to −25 kV, the switch (67sw) of the electrodes (71, # 1) is turned on, and the electrodes (71, # 1) are turned on. By biasing (71, # 1) to +25 kV, the remaining or charged particles are repelled in the direction of the electrodes (71, # 2) to prevent mixing of nuclides of the charged particles.
荷電粒子バンチは、回生減速器(67E)の各素子を通過する度に減速し、運動エネルギー(K)を失うから、前段では絶縁容器の厚さを調整して結合量を減らし、後段ほど静電結合量、磁気結合量を増やして、個々の素子の出力が均等になるよう設計する。
回生減速器(67E、#1〜#32)の位置を調整し、核融合生成荷電粒子(49c)の到達時刻をずらし、回生電力のピークの集中を避ける。
同じ回生減速器(67E)を何度も周回させる構成方法もある。
The charged particle bunch decelerates each time it passes through each element of the regenerative speed reducer (67E) and loses kinetic energy (K). The amount of electric coupling and the amount of magnetic coupling are increased so that the output of each element is designed to be uniform.
The position of the regenerative speed reducer (67E, # 1 to # 32) is adjusted to shift the arrival time of the fusion-produced charged particles (49c) to avoid concentration of the regenerative power peak.
There is also a configuration method in which the same regenerative speed reducer (67E) is rotated many times.
<中性子熱交換室>
図9(a)は、熱変換室(67Q)の説明図である。
熱変換室(67Q)は、全体形状が球殻状で、複数の中性子熱変換器(67c)と中性子遮蔽器(67s)から構成され、それぞれ図9(c)に示すような多面体(32)の各面に相当する領域に分割可能な構成にしている。
核融合で生成した中性子(n)は、荷電粒子収束器(56)の壁面を透過し、中性子熱変換器(67c)と中性子遮蔽室(67s)に満たした中性子減速材(10)によって熱エネルギー(Q)に変換し、減速、吸収する。中性子減速材(10)は、水を使用する。<Neutron heat exchange room>
FIG. 9A is an explanatory diagram of the heat conversion chamber (67Q).
The heat conversion chamber (67Q) has an overall shape of a spherical shell and includes a plurality of neutron heat converters (67c) and neutron shields (67s), each of which is a polyhedron (32) as shown in FIG. 9 (c). And can be divided into regions corresponding to the respective surfaces.
The neutrons (n) generated by the fusion pass through the wall surface of the charged particle concentrator (56), and are converted into thermal energy by the neutron moderator (10) filled in the neutron heat converter (67c) and the neutron shielding chamber (67s). Convert to (Q), decelerate and absorb. The neutron moderator (10) uses water.
中性子熱変換器(67c)は、中性子遮蔽室(67s)の内側に位置し、加圧された中性子減速材(10)に満たされ、核融合で生成した中性子(n)の90%以上を減速・吸収して熱エネルギー(Q)に変換する。(非特許文献5)
中性子熱変換器(67c)は、中性子減速材(10)の厚みを50cm以上確保し、荷電粒子の流路を確保する貫通孔を設け、高い圧力に耐える形状で、接続管(67j)により上下を連結し、中性子減速材(10)を上方向に循環している。The neutron heat converter (67c) is located inside the neutron shielding chamber (67s), is filled with the pressurized neutron moderator (10), and decelerates 90% or more of the neutrons (n) generated by fusion. -Absorb and convert to thermal energy (Q). (Non-Patent Document 5)
The neutron heat converter (67c) has a neutron moderator (10) with a thickness of 50 cm or more, a through hole for securing a flow path for charged particles, and a shape capable of withstanding high pressure. And the neutron moderator (10) is circulated upward.
中性子遮蔽器(67s)は、常圧の中性子減速材(10)に満たされ、中性子熱変換器(67c)を透過した5%未満の中性子(n)を減速して熱エネルギー(Q)に変換するとともに、中性子(n)を吸収して遮蔽する。
中性子遮蔽室(67s)は、燃料粒子の打ち込み、及び、回生減速器(67E)を設ける開口部を中性子(n)が通り抜けるので、その延長方向の容積を増して遮蔽を確実にする形状としている。
保守作業のために取り外すことが可能であり、中性子遮蔽室(67s)は、隣接する中性子遮蔽室(67s)との間の漏えいを少なくするため、中性子(n)の放射方向と異なる角度ですり合わせる多段形状としている。The neutron shield (67s) is filled with a neutron moderator (10) at normal pressure and slows down less than 5% of the neutrons (n) that have passed through the neutron heat converter (67c) to convert them into thermal energy (Q). At the same time, the neutrons (n) are absorbed and shielded.
The neutron shielding chamber (67s) is shaped so as to inject fuel particles and to increase the volume in the extension direction of the neutrons (n) because the neutrons (n) pass through the openings where the regenerative reducers (67E) are provided. .
The neutron shielding room (67s) can be removed for maintenance work, and the neutron shielding room (67s) is at an angle different from the neutron (n) radiation direction to reduce leakage between the adjacent neutron shielding room (67s). It has a multi-stage shape to fit.
表6 中性子線量計算表
表6は連携炉(50c)と簡易炉(50s)の中性子線量計算表である。
どちらも1〜4日で一般人の年間被爆許容量(1mSv/年)に達する。
図4に示す200MWのD−D及びD−T反応を行う連携炉(50c)では、それぞれ、14.6×1019個の2.45MeV及び14MeVの中性子が発生し、半径20mの地点で、厚さ5mの水の層を透過する中性子(n)の実効線量は、係数を考慮して、1日当たり0.277mSvである。(この計算表では、全て14MeVの中性子とした。水の厚さを6mとすると、一般人の年間被ばく許容量に抑えられるが、荷電粒子分離器(68x)、回生減速器(67E)などの収容部分の水の厚さが減少するから、5mとした。)熱交換室(67Q)には貫通部分が多く、透過する中性子(n)が存在する。
稼働中は周辺に立ち入ることが出来ず、外側に厚さ1m以上の外壁(59)を設け、一般人の年間被ばく許容量以下になるよう、中性子(n)を遮蔽する。
軽量な中性子反射体(67b)を内蔵して中性子減速材(10)を減すとともに、低放射化フェライト鋼など強靭な構造材が必要であり、これらは、中性子遮蔽体・反射体として算入することができる。
また、発熱量が少ない外側の中性子遮蔽室(67s)の一部は、軽量な固体の中性子遮蔽体(67p)などに置き換えることができる。 Table 6 Neutron dose calculation table Table 6 is a neutron dose calculation table for the cooperative reactor (50c) and the simple reactor (50s).
In both cases, the annual exposure limit (1 mSv / year) of ordinary people is reached in 1 to 4 days.
In the cooperating reactor (50c) that performs the DD and DT reactions of 200 MW shown in FIG. 4, 14.6 × 10 19 neutrons of 2.45 MeV and 14 MeV are generated, and at a point with a radius of 20 m, The effective dose of neutrons (n) transmitted through a 5 m thick layer of water is 0.277 mSv / day, taking into account the coefficients. (In this calculation table, neutrons are all 14 MeV. If the water thickness is 6 m, the annual exposure of ordinary people can be reduced, but the accommodation of charged particle separator (68x), regenerative decelerator (67E), etc. Since the thickness of the water in the portion is reduced, the length is set to 5 m.) The heat exchange chamber (67Q) has many penetrating portions, and neutrons (n) to be transmitted exist.
During operation, it is not possible to enter the surrounding area, and an outer wall (59) with a thickness of 1 m or more is provided on the outside to shield neutrons (n) so that the annual exposure is below the allowable amount for ordinary people.
A light-weight neutron reflector (67b) is incorporated to reduce the neutron moderator (10), and a strong structural material such as low activation ferritic steel is required. These are included as neutron shields and reflectors. be able to.
Further, a part of the outer neutron shielding chamber (67s) having a small calorific value can be replaced with a light-weight solid neutron shielding body (67p) or the like.
ベリリウム(Be)またはベリリウム(Be)を含む物質で作製した中性子倍増体を中性子遮蔽器(67s)内に配置し、高エネルギーの中性子(n)を吸収し、新たに中性子(n)を生成することができる。
9Be + n → 2(4He) + 2(n) −2.5MeV
倍増した中性子(n)は、中性子熱変換器(67c)内の中性子減速材(10)と反応し、デューテリウム(D)、トリチウム(T)を生成する。
p + n → D + γ 1.67MeV
D + n → T + γ
定期的に中性子減速材(10)を精製することで、核融合燃料であるデューテリウム(D)、トリチウム(T)をより多く回収することができる。
A neutron multiplier made of beryllium (Be) or a substance containing beryllium (Be) is placed in a neutron shield (67s) to absorb high-energy neutrons (n) and generate new neutrons (n). be able to.
9Be + n → 2 (4 He ) + 2 (n) -2.5MeV
The doubled neutrons (n) react with the neutron moderator (10) in the neutron heat converter (67c) to generate deuterium (D) and tritium (T).
p + n → D + γ 1.67 MeV
D + n → T + γ
By regularly refining the neutron moderator (10), more deuterium (D) and tritium (T) as fusion fuels can be recovered.
<簡易炉の中性子>
図5に示す200MWのD−3He反応のみを行う簡易炉(50s)では、原理上中性子(n)の発生は無いが、核融合燃料のヘリウム3(3He)の中にD粒子あるいはT粒子が混入していると、中性子(n)を発生する核融合反応が発生する。
混入率が10−12であった場合、半径10mの地点で、厚さ50cmの水の層と同等の遮蔽効果があるとして計算すると、表6の計算に示すとおり、中性子(n)の実効線量は、1日当たり0.813mSvである。<Neutron of simple reactor>
In simple furnace (50s) to perform only D-3 the He reaction 200MW shown in FIG. 5, but no occurrence of principle neutrons (n), D particles or T in 3He fusion fuel (3 the He) When the particles are mixed, a nuclear fusion reaction that generates neutrons (n) occurs.
When the mixing rate is 10 −12 , when it is calculated that there is a shielding effect equivalent to that of a water layer having a thickness of 50 cm at a point with a radius of 10 m, the effective dose of neutron (n) is calculated as shown in Table 6. Is 0.813 mSv per day.
核融合燃料のヘリウム3(3He)に、中性子(n)が反応すると、トリチウム(T)に変化するから、燃料の保存方法に注意が必要である。
3He + n → T + p +0.764MeV
簡易炉(50s)の中性子放出量は、核融合燃料の不純物の含有量に依存するから、十分に精製した核融合燃料を使用し、中性子(n)の照射を避けて保管するだけでなく、核融合燃料のヘリウム3(3He)を衝突させる直前に、イオン屈曲器(68r)などにより屈曲する際に、質量電荷比(m/z)の相違により異原子核(49s、D粒子、T粒子など)を十分に取り除くことが重要である。
異原子核(49s、D粒子、T粒子など)を分離して除去する効果は大きく、異原子混入率を1000分の1にすれば、中性子減速材(10)の厚さ50cmの中性子遮蔽室(67s)を削減することができる。
移動体である場合は、炉の負荷率や稼働時間を考慮に入れることができる。
乗員、燃料タンクとの間に、中性子遮蔽効果の大きい材料で作製した遮蔽板を設ける方法もある。
When neutron (n) reacts with helium 3 ( 3 He) as a fusion fuel, it changes to tritium (T).
3 He + n → T + p + 0.764MeV
Since the amount of neutron emission from the simple reactor (50s) depends on the content of impurities in the fusion fuel, it is necessary to use a sufficiently purified fusion fuel and store it while avoiding neutron (n) irradiation. Immediately before the collision with helium 3 ( 3 He) as a fusion fuel, when it is bent by an ion bending device (68r) or the like, the different atomic nuclei (49s, D particles, T particles) due to the difference in mass-to-charge ratio (m / z). , Etc.) are important.
The effect of separating and removing foreign nuclei (49 s, D particles, T particles, etc.) is great. If the mixing ratio of foreign atoms is made 1/1000, the neutron moderator (10) has a neutron shielding room (50 cm thick). 67s) can be reduced.
In the case of a moving body, the load factor and operating time of the furnace can be taken into account.
There is also a method of providing a shielding plate made of a material having a large neutron shielding effect between an occupant and a fuel tank.
<ブランケット>
磁気閉じ込め型核融合炉に使われるブランケットは、中性子反応断面積(σn)が大きいリチウム(Li)、ベリリウム(Be)などを用い、核融合燃料であるトリチウム(T)の増殖を行うとともに、中性子(n)の遮蔽を行う。
リチウム(Li)は、中性子(n)に対する遮蔽能力が優れているから、中性子減速材(10)の厚みを減らすことができる。(非特許文献6)
中性子(n)を吸収して核融合燃料であるトリチウム(T)等を生成し、あるいは、中性子(n)を倍増する反応式を次に示す。
6Li + n → T + 4He +4.8MeV
6Li + n → n + D + 4He −1.5MeV
7Li + n → n + T + 4He −2.5MeV
9Be + n → 2(4He) + 2(n) −2.5MeV
9Be + 4He → 12C + n
トリチウム増殖材として、固体のリチウム化合物(Li2O、Li2TiO3、LiH)などの他、液体の金属リチウム(Li、LiPb)などの利用も検討されている。
中性子倍増材として、ベリリウム(Be)、ベリリウム化合物(Be12Ti)などを使用し、中性子(n)を倍増することで、トリチウム(T)の収量を増やすことができる。<Blanket>
The blanket used in the magnetic confinement fusion reactor uses lithium (Li), beryllium (Be), etc., which have a large neutron reaction cross section (σ n ), to grow the fusion fuel tritium (T), The neutron (n) is shielded.
Lithium (Li) has an excellent shielding ability against neutrons (n), so that the thickness of the neutron moderator (10) can be reduced. (Non-Patent Document 6)
A reaction formula for absorbing neutrons (n) to produce a fusion fuel such as tritium (T) or doubling neutrons (n) is shown below.
6 Li + n → T + 4 He + 4.8 MeV
6 Li + n → n + D + 4 He -1.5MeV
7 Li + n → n + T + 4 He -2.5MeV
9 Be + n → 2 (4 He) + 2 (n) -2.5MeV
9 Be + 4 He → 12 C + n
As a tritium breeding material, use of liquid lithium metal (Li, LiPb) and the like in addition to solid lithium compounds (Li 2 O, Li 2 TiO 3 , LiH) and the like are also being studied.
By using beryllium (Be), a beryllium compound (Be 12 Ti), or the like as the neutron doubling material and doubling the neutrons (n), the yield of tritium (T) can be increased.
(a)液体の金属リチウム(Li、LiPb)を用いる場合は、ブランケット内を循環した放射性物質を含む高温の液体金属を外部に取り出してトリチウム(T)を回収する構成となるため、事故時の対処に困難が付きまとう。
(b)酸素を含むリチウム化合物(Ki2O,LiOH、Li2TiO3)を用いる場合は、98%前後がトリチウム水(HTO分子)として回収されるので、疎水性触媒を用いた分離方法など、三重水素ガス(13)のみを取り出す行程が必要である。
(c)酸素を含まないリチウム化合物(LiH、Li3N)、LTZO20(Li2TiO3+20%Li2ZrO3)などでは、99%前後が三重水素ガス(13、HT分子)として回収されるから、トリチウム(T)の分離処理が容易である。(非特許文献7、8)
D−D反応及びD−T反応で生成する中性子(n)に対する生成したトリチウム(T)の割合であるトリチウム生成率(ηt)が0.5では、出力がおよそ1.6倍の、0.8では、およそ3.6倍のトリチウム増倍炉(50t)を構成することができる。(A) When liquid metal lithium (Li, LiPb) is used, a high-temperature liquid metal containing a radioactive substance circulated in a blanket is taken out to recover tritium (T). It's difficult to deal with.
(B) When a lithium compound containing oxygen (Ki 2 O, LiOH, Li 2 TiO 3 ) is used, about 98% is recovered as tritium water (HTO molecule), so a separation method using a hydrophobic catalyst, etc. , A process of extracting only the tritium gas (13) is required.
(C) In the case of oxygen-free lithium compounds (LiH, Li 3 N) and LTZO20 (Li 2 TiO 3 + 20% Li 2 ZrO 3 ), about 99% is recovered as tritium gas (13, HT molecules). Therefore, the separation treatment of tritium (T) is easy. (Non-Patent Documents 7 and 8)
When the tritium generation rate (η t ), which is the ratio of the generated tritium (T) to the neutrons (n) generated in the DD and DT reactions, is 0.5, the output is about 1.6 times, .8, it is possible to configure a tritium multiplier (50t) of about 3.6 times.
ベリリウム(Be)や鉛(Pb)の中性子増倍材を多くすることで、高速中性子による中性子倍増効果も増し、局所的なトリチウム(T)の生成率(ηt)を1.3〜1.4にすることができ,総合のトリチウム生成率(ηt)が1以上のトリチウム増殖炉(50T)を構成することができる。
トリチウム(T)の生成率(ηt)が1を超えるとトリチウム(T)が増大し続けるから、D−T反応炉のみで運転を継続することができる。しかし、余剰のトリチウム(T)を蓄積しないためには、トリチウム増殖室(67T)の内側に中性子減速材(10)を注入する厚さ10〜40cmの中性子調整室(67v)を設け、ブランケットに達する中性子(n)を遮る機構を設けるなどして、トリチウム生成率(ηt)自体を制御できる構造にする必要がある。
D−D反応炉を省略することができ、停止時に循環中のトリチウム(T)を回収して、次回の起動用の燃料として保存する運転形態となる。
D−T反応の核融合反応率(ηf)が大きいから、低速の燃料粒子であるデューテリウム(D)の粒子密度(ρ)を下げることが出来き、粒子加速器(62)への要求も下げられる。
さらに、D−T反応で飛翔する粒子は、中性子(n)とヘリウム4(4He)のみであるので荷電粒子分離器(68x)も必要ない。
回生減速器(67E)に抵抗体(67R)を加えることで、熱変換型の構成も容易であるという特徴がある。By increasing the neutron multipliers of beryllium (Be) and lead (Pb), the neutron doubling effect by fast neutrons is also increased, and the local tritium (T) generation rate (η t ) is 1.3 to 1. 4, and a tritium breeder reactor (50T) having an overall tritium generation rate (η t ) of 1 or more can be configured.
When the production rate (η t ) of tritium (T) exceeds 1, tritium (T) continues to increase, so that the operation can be continued only with the DT reactor. However, in order not to accumulate excess tritium (T), a neutron adjustment chamber (67v) with a thickness of 10 to 40 cm for injecting a neutron moderator (10) is provided inside the tritium breeding chamber (67T), and a blanket is provided. It is necessary to provide a structure capable of controlling the tritium generation rate (η t ) itself, for example, by providing a mechanism for blocking the reaching neutron (n).
The DD reactor can be omitted, and the operation mode is such that the circulating tritium (T) is collected at the time of shutdown and stored as fuel for the next startup.
Since the fusion reaction rate (η f ) of the DT reaction is large, the particle density (ρ) of deuterium (D), which is a low-speed fuel particle, can be reduced, and the demand for the particle accelerator (62) is also high. Can be lowered.
Furthermore, particles flying in D-T reactions, neutrons (n) and helium 4 (4 He) charged particle separator because only (68X) is not necessary.
By adding a resistor (67R) to the regenerative speed reducer (67E), the heat conversion type configuration is easy.
図9(b)は、連携炉(50c)に、磁気閉じ込め型核融合炉のブランケットで用いられるリチウム(Li)、ベリリウム(Be)を含む物質で満たしたトリチウム増殖室(67T)を加えた熱交換室(67Q)の構成である。
トリチウム増殖室(67T)は、トリチウム増殖材であるリチウム化合物(LTZO20)と中性子増倍材であるベリリウム(Be)を充填し、上下のトリチウム増殖室(67T)を接続管(67j)で連結している。
1%前後の水素等ガス(11、12)を添加したヘリウム4ガス(24)を還流させて、中性子(n)の照射を受けて生成した粒子(D、T、4He、C)を回収する。
回収した高温のガスに含まれる熱エネルギー(Q)を回収し、熱による発電を行い、電気エネルギー(E)を得る。
回収した循環ガスは、ヘリウム4ガス(24)に対して、水素等ガス(11、12)が1%前後、三重水素ガス(13)が0.01%前後含まれ、炭素(C)並びにこれらの化合物、増殖材等の微粉末が混入している。
水素透過係数が大きいパラジウム合金膜(PdにAg、Pt、Au等を少量混ぜた合金)を用いた水素分離器(82a)を用いて水素等ガス(11、12、13)を濃縮する。
水素透過膜を用いた水素分離器(82a)を用いる方法の他、水素吸蔵能力の高いパラジウム合金などの水素吸蔵合金(79m)に水素等ガス(11、12、13)を吸蔵させ、加熱して放出させる水素分離器(82b)を用いて水素等ガスを濃縮する方法もある。
濃縮した水素等ガスを荷電粒子発生器(61)に送り、イオン化し、質量電荷比(m/z)によりトリチウム(T)のみを選択し、D−T反応によりトリチウム(T)を燃料として核融合反応させる。
回収ガスを液化して、沸点の違いを利用して分離する方法等も考えられる。FIG. 9 (b) shows the heat obtained by adding a tritium breeding chamber (67T) filled with a substance containing lithium (Li) and beryllium (Be) used in a blanket of a magnetic confinement fusion reactor to a cooperating reactor (50c). This is the configuration of the exchange room (67Q).
The tritium breeding chamber (67T) is filled with a lithium compound (LTZO20) as a tritium breeding material and beryllium (Be) as a neutron multiplier, and the upper and lower tritium breeding chambers (67T) are connected by a connection pipe (67j). ing.
To reflux around 1% such as hydrogen gas (11, 12) added helium 4 gas (24), the resulting particles upon exposure to neutrons (n) (D, T, 4 the He, C) recovered I do.
The thermal energy (Q) contained in the recovered high-temperature gas is recovered, power is generated by heat, and electric energy (E) is obtained.
The recovered circulating gas contains about 1% of a gas such as hydrogen (11, 12) and about 0.01% of a tritium gas (13) with respect to the helium 4 gas (24), and contains carbon (C) and these gases. Fine powder such as the compound and breeding material.
The gas such as hydrogen (11, 12, 13) is concentrated using a hydrogen separator (82a) using a palladium alloy membrane (an alloy in which Ag, Pt, Au, etc. are mixed in a small amount in Pd) having a large hydrogen permeability coefficient.
In addition to the method using a hydrogen separator (82a) using a hydrogen permeable membrane, a hydrogen storage alloy (79m) such as a palladium alloy having a high hydrogen storage capacity stores hydrogen and other gases (11, 12, 13) and heats. There is also a method of concentrating a gas such as hydrogen by using a hydrogen separator (82b) that releases hydrogen.
The concentrated gas such as hydrogen is sent to the charged particle generator (61), ionized, and only tritium (T) is selected based on the mass-to-charge ratio (m / z). Allow fusion reaction.
It is also conceivable to liquefy the recovered gas and separate it using the difference in boiling point.
トリチウム増殖室(67T)内のトリチウム(T)の回収に時間を要するから、還流ガスが一巡するのに20分を要する。20分で生成するトリチウム(T)の量は、0.4gを超える。
これは、トリチウム増殖室(67T)を持たない連携炉(50c)と比較すると、瞬間的なトリチウム(T)の存在量は100万倍を超える。
単位質量あたりのリチウム(Li)の価格は、デューテリウム(D)より廉価であるが、トリチウム増倍炉(50t)、トリチウム増殖炉(50T)の安全対策が極めて重要となる。Since it takes time to recover the tritium (T) in the tritium breeding chamber (67T), it takes 20 minutes for the reflux gas to make one cycle. The amount of tritium (T) produced in 20 minutes exceeds 0.4 g.
This means that the instantaneous tritium (T) abundance exceeds one million times as compared with the cooperative furnace (50c) having no tritium breeding chamber (67T).
Although the price of lithium (Li) per unit mass is lower than that of deuterium (D), safety measures for the tritium multiplier (50t) and tritium breeder (50T) are extremely important.
<トリチウム増倍炉の停止>
トリチウム増倍炉(50t、D−D炉を有するものに限る。)の停止は、D−D反応を完全に停止した後も、トリチウム増殖室(67T)内のトリチウム(T)の回収に時間を要するため、トリチウム(T)を循環しながら消滅運転(D−T反応)を継続しなければならず、トリチウム消滅運転によって生成する中性子(n)によるトリチウム(T)の生成が継続する。
循環するトリチウム(T)は時間と共に減少するように設計するが、生成率(ηt)が50%の場合でもトリチウム(T)の生成量が10分の1に減少するのに1時間以上を要するから、6時間以上のトリチウム(T)の消滅運転が必要である。<Shutdown of tritium multiplier>
The stop of the tritium intensifier (50 t, limited to those having a DD furnace) requires a time period for the recovery of tritium (T) in the tritium breeding chamber (67T) even after the DD reaction is completely stopped. Therefore, the annihilation operation (DT reaction) must be continued while circulating tritium (T), and the production of tritium (T) by neutrons (n) generated by the annihilation operation of tritium continues.
Although the circulating tritium (T) is designed to decrease with time, even if the production rate (η t ) is 50%, it takes more than one hour for the tritium (T) production amount to decrease by a factor of ten. Therefore, it is necessary to run the tritium (T) for 6 hours or more.
トリチウム増倍炉(50t)を同時に複数基運転している場合、中性子減速材(10)を注入する厚さ10〜40cmの空洞を設け、停止時にトリチウム増殖室(67T)に達する中性子(n)を遮断する構成である場合は、新たにトリチウム(T)を生成させずに消滅することができるから、停止に要する時間を短縮することができる。
When a plurality of tritium multipliers (50t) are operating simultaneously, a neutron (n) reaching the tritium breeding chamber (67T) when the neutron moderator (10) is injected is provided with a cavity with a thickness of 10 to 40cm. Is shut off without generating new tritium (T), the time required for stopping can be reduced.
<核融合炉の規模>
簡易炉(50s)は、航空機、宇宙シャトルのエンジンとしても構成可能である。
大型航空機1機分の推力は、およそ200MWに相当する。
200MWの連携炉(50c)は、年間38.45kgのデューテリウム(D)(重水192.5kg)を消費するから、日本の総消費電力量である1000TWhを賄うには、200MWの連携炉(50c)で構成したとするならば、570〜1000基が必要であり、年間110tもの重水を消費する。(D−3He反応を使用しない場合。)
自然水に換算すれば、73万トン以上となり、膨大な水量である。
D−3He反応も使用するとすれば、重水の消費量は65.9tと半分近くに減少するが、それでも相当な量である。<Scale of fusion reactor>
The simple furnace (50s) can also be configured as an aircraft or space shuttle engine.
The thrust for one large aircraft corresponds to approximately 200 MW.
The 200 MW cooperating furnace (50c) consumes 38.45 kg of deuterium (D) (192.5 kg of heavy water) annually, so the 200 MW cooperating furnace (50c) needs to meet the total power consumption of 1000 TWh in Japan. ) Requires 570-1000 units, and consumes 110 tons of heavy water per year. (If you do not want to use the D- 3 He reaction.)
When converted to natural water, it is over 730,000 tons, which is a huge amount of water.
If also used D-3 the He reaction, the consumption of heavy water is reduced to almost half and 65.9T, but is still substantial amount.
200MWのD−3He反応のみを使用する簡易炉(50s)の場合、年間7.69kgのデューテリウム(D)(重水38.45kg)と11.54kgのヘリウム3(3He)を消費するから、年間4.39tのデューテリウム(D)(重水22t)と6.58tのヘリウム3(3He)があれば、日本の総消費電力量を賄うことができる。
D−T炉のみで構成するトリチウム増殖炉は、年間7.69kgのデューテリウム(D)と26.9kgのリチウム(Li)を燃料として用いて運転できる。
中性子(n)により放射化し、危険なトリチウム(T)を扱う連携炉(50c)、増倍炉(50t)、増殖炉(50T)を数多く建設するより、ヘリウム3(3He)を月などから調達し、資源の保護の観点からも、安全なD−3He反応のみを使用する簡易炉(50s)を建設すべきと考える。
If simple furnace to use only D-3 the He reaction of 200MW of (50s), from consumes annually 7.69kg deuterium (D) 3He (heavy water 38.45Kg) and 11.54kg (3 He) , if the annual 4.39t deuterium (D) (heavy water 22t) and helium of 6.58t 3 (3 He) is, it is possible to cover the total power consumption of Japan.
A tritium breeder reactor consisting solely of a DT reactor can operate using 7.69 kg of deuterium (D) and 26.9 kg of lithium (Li) as fuel per year.
Helium 3 ( 3 He) will be activated from the moon, etc. rather than constructing a large number of cooperating reactors (50c), multipliers (50t), and breeding reactors (50T) that are activated by neutrons (n) and handle dangerous tritium (T). procurement, and also from the point of view of protection of resources, I think that should build a simple furnace (50s) to use only safe D- 3 He reaction.
遅々として進展しないプラズマ方式の核融合に見切りをつけて、一気に核融合発電を実現することができる。
D―D反応を行い、次にD−T反応を行って、ヘリウム3(3He)を生産し、トリチウム(T)の消滅を行う「連携炉(50c)」、リチウムブランケットを持つトリチウム増殖炉等(50t、50T)によって、膨大なエネルギーを得ることが出来る。
D―3He反応を行う「簡易炉(50s)」は、「連携炉(50c)」と同等のエネルギー(E、Q)を得ることが出来、放射性物質を含まない核融合であるから、移動体の推進力としても利用可能である。
By giving up on plasma-based nuclear fusion, which does not progress slowly, nuclear fusion power generation can be realized at once.
Performs D-D reactions, then subjected to D-T reaction, producing helium 3 (3 the He), performs disappearance of tritium (T) "cooperation furnace (50c)", tritium breeder reactor with lithium blanket (50t, 50T) can provide a huge amount of energy.
D-3 performs He reaction "simple furnace (50s)" is equivalent to energy "cooperation furnace (50c)" (E, Q) can be obtained, because a fusion containing no radioactive substance, moving It can also be used as a body propulsion.
<実施例1:簡易炉>
図10は、実施例1の簡易型(50s)の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉(50)の構成図である。
荷電粒子の衝突方式として、一方が、入手が容易なデューテリウム(D)の直径2μmの粒子数が多い低速の荷電粒子ビームと、他方がヘリウム3(3He)の直径1μmの粒子数が少ない高速の荷電粒子ビームを衝突させ、荷電粒子を無駄なく核融合反応させるように構成している。
低速用の荷電粒子ビーム発生器(60、#01)は、荷電粒子発生装置(61、#0)、粒子加速器(62、#01、#02)、荷電粒子ビームを収束する電子レンズ(63)、及び、ビームの方向を調整する偏向器(64)で構成され、さらに、イオン回収路(68c)及び回生減速器(67E、#00)、並びに、イオン移送路(68)、イオン流屈曲器(68r)で構成する燃料粒子循環路(69、#0)を構成している。
高速用の荷電粒子ビーム発生器(60、#11)は、荷電粒子発生装置(61、#1)、粒子加速器(62、#11、#12)、荷電粒子ビームを収束する電子レンズ(63)、ビームの方向を調整する偏向器(64)で構成され、さらにイオン移送路(68)及びイオン流屈曲器(68r)で構成する燃料粒子循環路(69、#1)を構成している。<Example 1: Simple furnace>
FIG. 10 is a configuration diagram of the simplified (50 s) charged particle beam collision type fusion reactor (50) of the first embodiment.
As a charged particle collision method, one is a low-speed charged particle beam having a large number of 2 μm diameter particles of deuterium (D), which is easily available, and the other is a small number of 1 μm diameter particles of helium 3 ( 3 He). The system is configured to collide a high-speed charged particle beam to cause a fusion reaction of the charged particles without waste.
The low-speed charged particle beam generator (60, # 01) includes a charged particle generator (61, # 0), a particle accelerator (62, # 01, # 02), and an electron lens (63) for converging the charged particle beam. And a deflector (64) for adjusting the direction of the beam, and further include an ion recovery path (68c) and a regenerative decelerator (67E, # 00), an ion transfer path (68), and an ion flow bending device. (68r) constitutes a fuel particle circulation path (69, # 0).
The high-speed charged particle beam generator (60, # 11) includes a charged particle generator (61, # 1), a particle accelerator (62, # 11, # 12), and an electron lens (63) for converging the charged particle beam. , A deflector (64) for adjusting the direction of the beam, and a fuel particle circulation path (69, # 1) composed of an ion transfer path (68) and an ion flow bending unit (68r).
核融合燃料である重水素ガス(12)とヘリウム3ガス(23)を荷電粒子発生装置(61、#0、#1)でイオン化し、荷電粒子を粒子加速器(62、#00、#10)により0.1keVまで加速してパルス状の荷電粒子ビームのバンチにし、イオン移送路(68)及びイオン流屈曲器(68r)から成る燃料粒子循環路(69、#0、#1)に送り出し、粒子加速器(62、#01、#11)により最終的な加速を行う構成である。
先に粒子数の多い低速ビームを、次に粒高速ビームを、時間差を付けて発射する。The deuterium gas (12) and the helium-3 gas (23), which are fusion fuels, are ionized by the charged particle generators (61, # 0, # 1) and the charged particles are accelerated by the particle accelerators (62, # 00, # 10). Accelerates to 0.1 keV to form a bunch of pulsed charged particle beams, and sends out to a fuel particle circulation path (69, # 0, # 1) comprising an ion transfer path (68) and an ion flow bending device (68r). In this configuration, final acceleration is performed by the particle accelerators (62, # 01, # 11).
A low-speed beam with a large number of particles is fired first, and then a high-speed particle beam is fired with a time difference.
発射する荷電粒子ビームの速度は、核融合燃料の組み合わせによって決まる核融合反応断面積(σ)が大きくなる相対速度(低速ビーム:1keV、300km/s、高速ビーム:400keV、5000km/s)とする。
核融合反応点(51)を先頭とする細長い核融合反応領域(52)で、バンチ全体が衝突するように発射時刻及び発射方向並びにバンチの傾きを調整する。
燃料のヘリウム3(3He)に混入したデューテリウム(D)、トリチウム(T)などの異原子核(49s)は、中性子(n)発生の原因となる。
イオン流屈曲器(68r)は、移送目的外の核種の粒子は、基本となる屈曲角度と異なる角度で打ち出されるから、イオン流屈曲器(68r、#11、#12)を通過する際に可能な限り異原子核(49s)を取り除く。(異原子核混入率:10-12以下)
分離した異原子核(49s)は、電子発生器(70e)の電子を与えてイオン中和器(70、#0)でガスに戻し、ガスボンベ(79、#0)に回収する。 The speed of the charged particle beam to be emitted is set to a relative speed (slow beam: 1 keV, 300 km / s, high speed beam: 400 keV, 5000 km / s) at which the fusion reaction cross section (σ) determined by the combination of the fusion fuel is increased. .
In the elongated fusion reaction region (52) headed by the fusion reaction point (51), the launch time and launch direction and the bunch tilt are adjusted so that the entire bunch collides.
Deuterium mixed in helium 3 (3 He) of the fuel (D), different nuclei such as tritium (T) (49s) are responsible for neutrons (n) occurs.
Since the ion stream bending device (68r) ejects particles of nuclides other than those to be transported at an angle different from the basic bending angle, it is possible to pass through the ion flow bending device (68r, # 11, # 12). Remove as many nuclei as possible (49s). (Rate of mixed nuclei: 10-12 or less)
The separated foreign nucleus (49s) is given an electron from the electron generator (70e), returned to gas by the ion neutralizer (70, # 0), and collected in a gas cylinder (79, # 0).
核融合反応をせずに通過した未反応燃料粒子(49n)は、ほぼ低速のD粒子のみで、核融合炉容器(58)の下部に設けたイオン回収路(68c)から回収し、回生減速器(67E、#00)により0.1keVまで減速し、イオン流屈曲器(68r、#04、#05)及びイオン移送路(68)により構成した燃料粒子循環路(69、#0)を経由して、低速用の粒子加速器(62、#01)に循環し、未反応燃料粒子(49n)を再利用する。
イオン流屈曲器(68r、#01、#05)は、図に示していないが、回生減速器(67E、#00)と粒子加速器(62、#00)からの荷電粒子流を合流させる構造にする必要がある。The unreacted fuel particles (49n) that have passed without performing a nuclear fusion reaction are recovered from the ion recovery path (68c) provided at the lower part of the fusion reactor vessel (58) with only low-speed D particles, and the regenerative deceleration is performed. Decelerating to 0.1 keV by the ionizer (67E, # 00) and passing through the fuel particle circulation path (69, # 0) constituted by the ion flow bending device (68r, # 04, # 05) and the ion transfer path (68). Then, the fuel is circulated to the low-speed particle accelerator (62, # 01), and the unreacted fuel particles (49n) are reused.
Although not shown, the ion flow bending device (68r, # 01, # 05) has a structure in which the charged particle flows from the regenerative decelerator (67E, # 00) and the particle accelerator (62, # 00) are combined. There is a need to.
核融合で生じた核融合生成荷電粒子(49c、p、4He)は、極短時間で直径1μm及び2μmの燃料粒子ビームの外に出るから、他の燃料粒子に衝突することなく等方に飛翔し、速度の速いp粒子、4He粒子の順に、核融合炉の周辺部に到達する。
多面体(32)の面毎に分担して取り囲む様に隙間なく配置した、荷電粒子収束器(56、#1〜32)により収束し、300素子の回生減速器(67E、#1〜32)により、荷電粒子の運動エネルギー(K)を直接電力変換して電気エネルギー(E)を取得する。
簡易型(50s)の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉(50)は、核融合生成粒子にトリチウム(T)などの危険な物質を含まないので、荷電粒子分離器(68x)を持つ必要がない。
核融合生成荷電粒子(49c)は、全て最終核融合生成粒子(49f、p、4He)であるから、イオン中和器(70、#1〜32)により電子発生器(70e)の電子を与えて気体に戻してガスボンベ(79、#0)に回収する。(混入した散乱粒子等を含む。)Fusion product charged particles produced by nuclear fusion (49c, p, 4 He), since out of the fuel particle beam very short time the diameter 1μm and 2 [mu] m, the isotropic without colliding with the other fuel particles the flying fast p particle speeds, in the order of 4 He particles, and reaches the periphery of the fusion reactor.
Condensed by charged particle concentrators (56, # 1 to 32) arranged so as to surround and surround each face of the polyhedron (32), and regenerated by a regenerative reducer (67E, # 1 to 32) of 300 elements The electric energy (E) is obtained by directly converting the kinetic energy (K) of the charged particles into electric power.
The simplified (50 s) charged particle beam collision type fusion reactor (50) does not include dangerous substances such as tritium (T) in the fusion product particles, and therefore does not require a charged particle separator (68x). .
Fusion product charged particles (49c), all final fusion product particles from (49f, p, 4 the He) is an ion neutralizer (70, # 1-32) by electron generator electrons (70e) Give it back to gas and collect in gas cylinder (79, # 0). (Including mixed scattering particles, etc.)
粒子加速器(62)の長さは、一般的に数十メートル以上あるが、図10のイオン移送路(68)、粒子加速器(62)及び前述の回生減速器(67E)の長さは、説明図の都合で縮めて描いている。
イオン移送路(68)の長さは、粒子加速器(62)の通過時間、イオン移送路(68)内の荷電粒子の移送速度などを考慮し、核融合発生周期(1ms)に合致する長さにしている。
低速用の粒子加速器(62、#01、#02)と高速用の粒子加速器(62、#11、#12)は、それぞれ2段構成としている。Although the length of the particle accelerator (62) is generally several tens of meters or more, the lengths of the ion transfer path (68), the particle accelerator (62) and the regenerative decelerator (67E) in FIG. It is shortened for the sake of illustration.
The length of the ion transfer path (68) is a length that matches the nuclear fusion generation period (1 ms) in consideration of the transit time of the particle accelerator (62), the transfer speed of the charged particles in the ion transfer path (68), and the like. I have to.
The low-speed particle accelerators (62, # 01, # 02) and the high-speed particle accelerators (62, # 11, # 12) each have a two-stage configuration.
図10には示していないが、イオン回収路(68c)には、高速と低速の荷電粒子ビームの到達位置、粒子の量を検出するセンサーを備えて、衝突状態等の制御に必要なデータを取得している。
また、荷電粒子収束器(56)の容器に真空容器(55)の役割を与え、その周囲を除熱室(67a)としてヘリウム4ガス(24)などを循環し、熱回収を行う。
熱の循環機構、熱発電機構については、図10に示していない。Although not shown in FIG. 10, the ion recovery path (68c) is provided with a sensor for detecting the arrival positions of the high-speed and low-speed charged particle beams and the amount of the particles, and stores data necessary for controlling the collision state and the like. Have acquired.
In addition, the container of the charged particle concentrator (56) is given a role of a vacuum container (55), and its surroundings are used as a heat removal chamber (67a) to circulate helium 4 gas (24) and recover heat.
The heat circulation mechanism and the heat generation mechanism are not shown in FIG.
<停止手順>
簡易型(50s)の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉(50)の停止は、荷電粒子発生器(61、#1)を停止し、高速の荷電粒子ビームを停止する。
次に、荷電粒子発生器(61、#0)を停止する。
循環している低速の荷電粒子ビームは、イオン流屈曲器(68r、#04)の偏向強度を変えて、イオン中和器(70、#0)に送って電子を与えて中和し、ガスボンベ(79、#0)に回収し、炉を停止する。
<Stop procedure>
The shutdown of the simple (50 s) charged particle beam collision type fusion reactor (50) stops the charged particle generator (61, # 1) and stops the high-speed charged particle beam.
Next, the charged particle generator (61, # 0) is stopped.
The circulating low-speed charged particle beam is changed in deflection intensity of the ion flow bending device (68r, # 04) and sent to the ion neutralizer (70, # 0) to give electrons to neutralize the gas. (79, # 0) and shut down the furnace.
<実施例2:熱変換炉>
図11は、実施例2の熱変換型(50h)の荷電粒子ビーム衝突核融合炉(50)の説明図である。
荷電粒子の衝突方式として、簡易炉(50s)と同様、一方が、入手が容易なデューテリウム(D)の直径2μmの粒子数が多い低速の荷電粒子ビームと、他方がヘリウム3(3He)の直径1μmの粒子数が少ない高速の荷電粒子ビームを衝突させ、荷電粒子を無駄なく核融合反応させるように構成している。
図11(a)は縦断面図で、全体形状が円錐台形であり、(b)は、横断面図で、右に回転する放射状の楕円面を基調とした反射面を形成する荷電粒子収束器(56、#1〜10)と、その周囲に設けた一条ネジの溝で構成するイオン周回減速器(67l)とを形成している。
核融合反応領域(52)で生成した核融合生成荷電粒子(49c)は、荷電粒子収束器(56、#1〜10)の一方の面で反射し、各々の荷電粒子バンチが周囲に設けたイオン周回減速器(67l)に導かれ、図12(b)の右方向に回転する。
荷電粒子整流板(56g、鎖線で示す。)を荷電粒子収束器(56)の内部に配置して、軸に近い方向に飛翔した荷電粒子をイオン周回減速器(67l)に導いている。(荷電粒子整流板(56g)は、熱交換室(67Q)には存在しない。)<Example 2: Heat conversion furnace>
FIG. 11 is an explanatory view of a heat conversion type (50h) charged particle beam collision fusion reactor (50) of the second embodiment.
As a collision type of charged particle, a simple furnace (50s) and similar, one of the charged particle beam slow often the number of particles diameter 2μm of readily available deuterium (D), the other is helium 3 (3 He) A high-speed charged particle beam having a small number of particles having a diameter of 1 μm is caused to collide, and the charged particles undergo a fusion reaction without waste.
FIG. 11 (a) is a longitudinal sectional view, and the whole shape is a truncated cone. FIG. 11 (b) is a transverse sectional view, and a charged particle concentrator forming a reflection surface based on a radially elliptical surface rotating to the right. (56, # 1 to 10) and an ion orbiting speed reducer (67l) formed of a single thread groove provided therearound.
The fusion-produced charged particles (49c) generated in the fusion reaction region (52) are reflected on one surface of the charged particle converger (56, # 1 to 10), and each charged particle bunch is provided around. It is guided to the ion circulation speed reducer (67l) and rotates rightward in FIG. 12 (b).
A charged particle rectifier (56 g, shown by a dashed line) is disposed inside the charged particle concentrator (56), and the charged particles flying in a direction close to the axis are guided to the ion circulation speed reducer (67l). (The charged particle rectifying plate (56g) does not exist in the heat exchange chamber (67Q).)
核融合生成荷電粒子(49c)のバンチは、イオン周回減速器(67l)の内面の設けたネジ状の溝に沿って周回する。
絶縁材料で作製したイオン周回減速器(67l)の壁面に、面状あるいは網目状の抵抗体(67R)が埋め込まれ、溝に沿ってパルス状に流れる荷電粒子による誘導電流が抵抗体(67R)に流れ、発熱する。
図には示していないが、イオン周回減速器(67l)の壁面内に電極を埋め込み、離れた位置に抵抗体(67R)を置き発熱させることもできる。The bunch of the fusion-produced charged particles (49c) orbits along a thread-shaped groove provided on the inner surface of the ion orbital decelerator (67l).
A planar or mesh-shaped resistor (67R) is embedded in the wall surface of an ion orbiting speed reducer (67l) made of an insulating material, and an induced current caused by charged particles flowing in a pulse along the groove is applied to the resistor (67R). And generate heat.
Although not shown in the figure, an electrode may be embedded in the wall surface of the ion circulation speed reducer (67l), and a resistor (67R) may be placed at a remote position to generate heat.
イオン周回減速器(67l)の後半部分は、溝が閉じた形状になり、図には示していないが、磁性体で取り囲み、閉じた磁路を形成することで、荷電粒子流と抵抗体(67R)を流れる誘導電流との磁気結合を高めている。
イオン周回減速器(67l)の溝(閉じた溝)は、イオン回収路(68c)の支持構造(イオン流屈曲器(68r、#03)、冷却器(85)などの収容部分。)を避けるように形成している。
イオン流屈曲器(68r、#03)は、外側ほど磁界を強くした磁場を使用し、核種に因らず荷電粒子(49n、49c)を同一方向に反射し、イオン回収路(68c)から回収した未反応燃料粒子(49n)を低速の粒子加速器(62、#01)に循環している。The latter half of the ion orbital decelerator (67l) has a closed groove shape and is not shown in the figure, but is surrounded by a magnetic material to form a closed magnetic path, so that the charged particle flow and the resistor ( 67R) to enhance the magnetic coupling with the induced current flowing through.
The groove (closed groove) of the ion circulation speed reducer (67l) avoids the support structure of the ion recovery path (68c) (accommodation parts such as the ion flow bending device (68r, # 03) and the cooler (85)). It is formed as follows.
The ion flow bending device (68r, # 03) uses a magnetic field with a stronger magnetic field toward the outside, reflects charged particles (49n, 49c) in the same direction regardless of nuclide, and recovers them from the ion recovery channel (68c). The unreacted fuel particles (49n) are circulated to the low-speed particle accelerator (62, # 01).
熱交換室(67Q)に空気またはガスを送り、壁面をとおして熱交換を行う。
荷電粒子収束器(56)及び荷電粒子整流板(56g)にも抵抗体(67R)を埋め込み、核融合生成荷電粒子(49c)の運動エネルギー(K)を効率的に熱エネルギー(Q)に変換する。
図には示していないが、イオン周回減速器(67l)の壁面に回生減速器(67E)を埋め込み、直接電力変換による電気エネルギー(E)を取り出すように構成できるから、粒子加速器(62)の駆動用の電力を賄うことができる。Air or gas is sent to the heat exchange chamber (67Q), and heat exchange is performed through the wall surface.
A resistor (67R) is also embedded in the charged particle concentrator (56) and the charged particle rectifier (56g) to efficiently convert the kinetic energy (K) of the fusion-produced charged particles (49c) into thermal energy (Q). I do.
Although not shown in the figure, a regenerative speed reducer (67E) can be embedded in the wall surface of the ion orbital decelerator (67l) to extract electric energy (E) by direct power conversion. Power for driving can be covered.
図11(c)にイオン移送路(68)とイオン流屈曲器(68r)で構成する燃料粒子循環路(69)を備えた熱変換型(50h)の荷電粒子ビーム衝突核融合炉(50)を示す。
低速用の燃料粒子循環路(69、#0)の構成は、図10の簡易炉(50s)とほぼ同じ構成であるが、その長さが短いため、低速の荷電粒子は短時間で周回し、次の高速の燃料粒子が発射されて衝突するまで、低速用の燃料粒子循環路(69、#0)を循環する。
キャピラリー(63c)を電子レンズ(63)として使用し、デューテリウム(D)とヘリウム3(3He)の2本の核融合燃料粒子の荷電粒子ビームを発射している。FIG. 11 (c) shows a heat conversion type (50h) charged particle beam collision nuclear fusion reactor (50) including a fuel particle circulation path (69) composed of an ion transfer path (68) and an ion flow bending device (68r). Is shown.
The configuration of the low-speed fuel particle circulation path (69, # 0) is almost the same as that of the simple furnace (50s) in FIG. Circulate through the low-speed fuel particle circulation path (69, # 0) until the next high-speed fuel particle is fired and collides.
Capillary (63c) was used as an electron lens (63), which emits a charged particle beam of the two fusion fuel particles deuterium (D) and helium 3 (3 the He).
イオン周回減速器(67l)により減速した核融合生成荷電粒子(49c)は、イオン移送路(68)、イオン中和器(70)を経由してガスボンベ(79)に回収する。
消滅せずに残ったヘリウム3(3He)や混入した核融合生成粒子(49c)を、キッカー(68k)で分離し、並びに、停止時にデューテリウム(D)をイオン中和器(70)に送り、ガスに戻してガスボンベ(79)に回収する。The fusion-produced charged particles (49c) decelerated by the ion circulation decelerator (67l) are collected in the gas cylinder (79) via the ion transfer path (68) and the ion neutralizer (70).
Helium 3 remaining without disappearing (3 the He) or contaminating fusion product particles (49c), separated by kicker (68k), and, in the ion neutralizer (70) of deuterium (D) when stopping It is sent back to gas and collected in a gas cylinder (79).
図11(a)の左側から吸入した空気またはガスを熱交換室(67Q)で加熱して、右側のタービン(86)に送り、発電機(88)を駆動し、電気エネルギー(E)を得る、核融合熱発電装置(81)を構成している。
ヘリウム3(3He)を用いる核融合は、原理上、中性子(n)の発生がなく、トリチウム(T)を生成しないから、核融合生成荷電粒子(49c)の分離を行う必要がないこと、
荷電粒子ビームのバンチの軸方向の長さに制限が少ないこと、並びに、
熱変換炉(50h)は、部品数が格段に少なく、炉の構造が単純である。The air or gas sucked in from the left side of FIG. 11A is heated in the heat exchange chamber (67Q) and sent to the turbine (86) on the right side to drive the generator (88) to obtain electric energy (E). And a nuclear fusion thermoelectric generator (81).
Fusion using helium 3 ( 3 He) does not generate neutrons (n) and does not generate tritium (T) in principle, so there is no need to separate the fusion-produced charged particles (49c).
The axial length of the bunch of charged particle beams is small, and
The heat conversion furnace (50h) has a remarkably small number of parts and has a simple furnace structure.
図には示していないが、核融合ジェットエンジン(80j)などとしての応用も見込まれる。
Although not shown in the figure, application as a fusion jet engine (80j) is expected.
<実施例3:連携炉>
図12は、実施例3のトリチウム消滅連携型(50c、D−D、D−T反応炉)の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉(50)の構成図である。
荷電粒子の衝突方式として、一方が、入手が容易なデューテリウム(D)の直径2μmの粒子数が多い低速の荷電粒子ビームと、他方がデューテリウム(D)とトリチウム(T)の2種類の直径1μmの粒子数が少ない高速の荷電粒子ビームを衝突させ、荷電粒子を無駄なく核融合反応させるように構成している。
低速用の荷電粒子ビーム発生器(60、#00)は、荷電粒子発生装置(61、#0)、粒子加速器(62、#0、#00)、荷電粒子ビームを収束する電子レンズ(63)、及び、ビームの方向を調整する偏向器(64)で構成され、さらに、イオン回収路(68c)及び回生減速器(67E、#0)、並びに、イオン移送路(68)、イオン流屈曲器(68r)で構成する燃料粒子循環路(69、#00)を構成し、低速の未反応燃料粒子(49n)であるデューテリウム(D)を再利用している。<Example 3: Cooperating furnace>
FIG. 12 is a configuration diagram of a charged particle beam collision-type fusion reactor (50) of a tritium annihilation cooperation type (50c, DD, DT reactor) of Example 3.
As the collision method of charged particles, one is a deuterium (D), which is easily available, and is a low-speed charged particle beam having a large number of particles having a diameter of 2 μm, and the other is a deuterium (D) and tritium (T). A high-speed charged particle beam having a small number of particles having a diameter of 1 μm is caused to collide with each other so that the charged particles undergo a nuclear fusion reaction without waste.
The low-speed charged particle beam generator (60, # 00) includes a charged particle generator (61, # 0), a particle accelerator (62, # 0, # 00), and an electron lens (63) for converging the charged particle beam. , And a deflector (64) for adjusting the direction of the beam, and further, an ion recovery path (68c) and a regenerative decelerator (67E, # 0), an ion transfer path (68), and an ion flow bending device. A fuel particle circulation path (69, # 00) constituted by (68r) is used, and deuterium (D), which is a low-speed unreacted fuel particle (49n), is reused.
高速用の荷電粒子ビーム発生器(60、#01)は、荷電粒子発生装置(61、#0)、粒子加速器(62、#0、#01)、荷電粒子ビームを収束する電子レンズ(63)、ビームの方向を調整する偏向器(64)で構成され、さらにイオン移送路(68)及びイオン流屈曲器(68r)で構成する燃料粒子循環路(69、#01)を構成し、高速の未反応粒子(49n)であるデューテリウム(D)を再利用している。
連携炉(50c)は、入手が容易なデューテリウム(D)を最初の核融合燃料として低速ビームと高速ビームに使用する。
他の1つの高速用の荷電粒子ビーム発生器(60、#1)は、粒子加速器(62、#11)、荷電粒子ビームを収束する電子レンズ(63)、ビームの方向を調整する偏向器(64)で構成され、D−D反応で生じたトリチウム(T)を荷電粒子分離器(68x)、回生減速器(67E、#14〜324)により分離・減速し、荷電粒子のままで循環している。A charged particle beam generator (60, # 01) for high speed includes a charged particle generator (61, # 0), a particle accelerator (62, # 0, # 01), and an electron lens (63) for converging a charged particle beam. , A deflector (64) for adjusting the beam direction, and a fuel particle circulation path (69, # 01) composed of an ion transfer path (68) and an ion flow bending unit (68r). Deuterium (D), which is an unreacted particle (49n), is reused.
The associated reactor (50c) uses deuterium (D), which is readily available, as the first fusion fuel for the low and high speed beams.
Another high-speed charged particle beam generator (60, # 1) includes a particle accelerator (62, # 11), an electron lens (63) for converging a charged particle beam, and a deflector (60) for adjusting the beam direction. 64), the tritium (T) generated by the DD reaction is separated and decelerated by a charged particle separator (68x) and a regenerative speed reducer (67E, # 14 to 324), and circulated as charged particles. ing.
荷電粒子発生装置(61、#0)に重水素ガス(12)を送ってイオン化し、粒子加速器(62、#0)に送り、イオン移送路(68)及びイオン流屈曲器(68r)から成る燃料粒子循環路(69、#00、#01)に送り出している。
粒子加速器(62)の長さは、数十メートル以上あるのが一般的であるが、図12のイオン移送路(68)及び粒子加速器(62)は、長さを縮めて描いている。
イオン移送路(68)の長さは、核融合発生周期、粒子加速器(62)の通過時間などを考慮して決定する。The deuterium gas (12) is sent to the charged particle generator (61, # 0) to be ionized, sent to the particle accelerator (62, # 0), and includes an ion transfer path (68) and an ion flow bending device (68r). The fuel is sent to the fuel particle circulation path (69, # 00, # 01).
The length of the particle accelerator (62) is generally several tens of meters or more, but the ion transfer path (68) and the particle accelerator (62) in FIG. 12 are drawn with a reduced length.
The length of the ion transfer path (68) is determined in consideration of the nuclear fusion generation cycle, the transit time of the particle accelerator (62), and the like.
トリチウム消滅連携炉(50c、D−D、D−T反応炉)では、入手が容易な核融合燃料としてデューテリウム(D)を、低速ビーム、高速ビームの両方に使用する。
D−D反応により、トリチウム(T)とヘリウム3(3He)を生成し、トリチウム(T)は、D−T反応により直ちに消滅させる。In the tritium annihilation cooperative reactor (50c, DD, DT reactor), deuterium (D) is used for both low-speed and high-speed beams as an easily available fusion fuel.
The D-D reaction produces a tritium (T) and helium 3 (3 He), tritium (T) immediately extinguish by D-T reaction.
ヘリウム3(3He)は、安全な核融合燃料としてガスに戻してガスボンベ(79、#3、23)に蓄積して簡易炉(50s)用の核融合燃料とする。
トリチウム消滅連携炉(50c、D−D、D−T反応炉)に、D-3He反応炉を追加して、荷電粒子の状態でヘリウム3(3He)を移送して直ちに使用する構成とすることもできる。(地震などの緊急時のみ、ヘリウム3(3He)を燃料として使用し、D−3He反応に切り替えて稼働を続けるなど。)Helium 3 ( 3 He) is returned to gas as a safe fusion fuel and accumulated in a gas cylinder (79, # 3, 23) to be used as a fusion fuel for a simple reactor (50s).
Tritium disappearance cooperation furnace (50c, D-D, D -T reactor), by adding D-3 the He reactor, and configured to be used immediately transferred helium 3 (3 the He) in the form of charged particles You can also. (Emergency such as an earthquake only, helium 3 (3 He) is used as a fuel, continue to run switch to the D- 3 He reaction, etc..)
D−D反応炉とD−T反応炉、あるいは、D−3He反応炉を加えて、それぞれ独立した核融合炉であっても良いし、核融合炉容器(58)を共有し、D−DとD−T反応を交互に発生する構成であっても良い。また、低速ビームを共用し、D−DとD−T反応を同時に、あるいは、低速ビームの循環に対してD−DとD−T反応を交互に発生するなどの構成であっても良い。
図12の実施例3は、D−D反応炉及びD−T反応炉の核融合炉容器(58)及び低速ビームを共用する構成例である。
D−DとD−T反応を同時に発生(高速のT粒子を高速のD粒子より先に衝突させる。)させる構成とし、共用する低速ビームの粒子数は、先に衝突する反応による減少分を考慮し、表4に示す粒子数より多くしておく。
D-D reactor and D-T reactor, or in addition to D-3 the He reactor, it may be an independent fusion reactor, share fusion reactor vessel (58), D- A configuration in which D and DT reactions occur alternately may be employed. Further, a configuration may be employed in which a low-speed beam is shared and DD and DT reactions occur simultaneously, or DD and DT reactions alternately occur with respect to circulation of the low-speed beam.
Embodiment 3 of FIG. 12 is a configuration example in which the fusion reactor vessel (58) and the low-speed beam of the DD reactor and the DT reactor are shared.
The configuration is such that DD and DT reactions are generated simultaneously (high-speed T particles collide before high-speed D particles). Considering this, the number of particles is set larger than that shown in Table 4.
粒子加速器(62、#0)は、一定の時間差を置いて2つの荷電粒子バンチを1keVで発射する。
電界または磁界を変化して荷電粒子の進路を変えるキッカー(68k、#0)により、
1つは、燃料粒子循環路(69、#00)に送り出し、粒子加速器(62、#00)で荷電粒子バンチとして成形し、1keVの低速の荷電粒子ビームとして打ち出され、
他の1つは、燃料粒子循環路(69、#01)に送り出し、粒子加速器(62、#01)で500keVまで加速し、高速の荷電粒子ビームとして打ち出し、核融合反応点(51)で衝突させる。The particle accelerator (62, # 0) fires two charged particle bunches at a certain time difference at 1 keV.
A kicker (68k, # 0) that changes the path of charged particles by changing the electric or magnetic field,
One is sent to the fuel particle circulation path (69, # 00), formed as a charged particle bunch by the particle accelerator (62, # 00), and is launched as a 1 keV low-speed charged particle beam.
The other is sent to the fuel particle circulation path (69, # 01), accelerated to 500 keV by the particle accelerator (62, # 01), launched as a high-speed charged particle beam, and collides at the fusion reaction point (51) Let it.
荷電粒子ビームの速度は、核融合燃料の組み合わせによって決まる核融合反応断面積(σ)が大きくなる適切な相対速度(衝突に要する運動エネルギー(K)に対して核融合により得られる運動エネルギー(K)が大きくなる速度。)で、細長く成形された荷電粒子バンチ全体を衝突させて、核融合反応点(51)を先頭とする細長い核融合反応領域(52)で核融合反応を発生させる。
D−D及びD−T反応で生じた核融合生成粒子(p、n、T、3He、4He)は、極短時間で直径1μm及び2μmの燃料粒子ビームの外に出るから、他の燃料粒子に衝突することなく等方に飛翔し、表5に示した速度で、速度の速い粒子からn、p、n、4He、T、3Heの順に、核融合炉容器(58)の周辺部に達する。The velocity of the charged particle beam is determined by an appropriate relative velocity (kinetic energy (K) required for collision with respect to kinetic energy (K) required by the nuclear fusion reaction, where the fusion reaction cross section (σ) determined by the combination of the fusion fuel is large. ) Is increased, and the entire elongated shaped charged particle bunch is collided to generate a fusion reaction in the elongated fusion reaction region (52) headed by the fusion reaction point (51).
D-D and D-T reactions in the resulting fusion product particles (p, n, T, 3 He, 4 He) , since out of the fuel particle beam very short time the diameter 1μm and 2 [mu] m, other flies to isotropic without colliding with the fuel particles at a rate shown in Table 5, from fast speed particles n, p, n, 4 He , in the order of T, 3 the He, fusion reactor vessel (58) Reach the periphery.
多面体32の面毎に分担して取り囲む様に隙間なく配置した荷電粒子収束器(56、#1〜32)により核融合生成荷電粒子(49c)を収束し、3素子の回生減速器(67E、#1〜32)により荷電粒子の運動エネルギー(K)の一部を直接電力変換して電気エネルギー(E)を得る。
非対称衝突を行うから、D−D反応の場合、燃料粒子の一方が0.5MeV(6,919km/s)の速度を持つため、核融合生成粒子の飛翔速度に概ね同方向に2分の1の速度(250keVの運動エネルギー(K))が加わる。炉の上側と下側とで、核融合生成荷電粒子(49c)の持つ運動エネルギー(K)に差異を生じる。
The charged particles (49c) generated by the fusion are converged by the charged particle concentrators (56, # 1 to 32) which are arranged so as to surround and surround each surface of the polyhedron 32, and a three-element regenerative decelerator (67E, According to # 1 to 32), a part of the kinetic energy (K) of the charged particles is directly converted into electric power to obtain electric energy (E).
Since the asymmetric collision is performed, in the case of the DD reaction, one of the fuel particles has a velocity of 0.5 MeV (6,919 km / s), so that the flying velocity of the fusion-producing particles is almost halved in the same direction. (Kinetic energy (K) of 250 keV) is applied. A difference occurs in the kinetic energy (K) of the fusion-produced charged particles (49c) between the upper side and the lower side of the furnace.
次に、核融合生成荷電粒子(49c)を荷電粒子分離器(68x)により分離し、核種毎に8〜60素子の回生減速器(67E、p:60素子#11〜321、4He:36素子#12〜322、T:20素子#13〜323、3He:8素子#14〜324)により直接電力変換を行う。
最終核融合生成粒子(49f)のうち、p、4He及び3Heについては、イオン中和器(70、#1、#2、#4)により電子を与えて気体(11、24、23)に戻してガスボンベ(79、#1、#2、#4)に回収する。
イオン中和器(70)は、回生減速器(67E)毎に合計96台のイオン中和器(70)を設けている。(同核種毎に核融合生成荷電粒子(49c)をまとめてから3台のイオン中和器(70)で中和する方法もあるが、イオン移送路(68)及びイオン流屈曲器(68r)を多数必要する。)Next, the fusion-produced charged particles (49c) are separated by a charged particle separator (68x), and a regenerative decelerator (67E, p: 60 elements # 11 to 321; 4 He: 36) of 8 to 60 elements for each nuclide. element # 12~322, T: 20 element # 13~323, 3 He: performing direct power conversion by 8 element # 14-324).
Of the final fusion product particles (49f), for p, 4 the He and 3 the He, ion neutralizer (70, # 1, # 2, # 4) by giving an electron gas (11,24,23) And collected in gas cylinders (79, # 1, # 2, # 4).
The ion neutralizer (70) is provided with a total of 96 ion neutralizers (70) for each regenerative speed reducer (67E). (There is also a method in which the fusion-produced charged particles (49c) are grouped for each nuclide and then neutralized by three ion neutralizers (70), but the ion transfer path (68) and the ion flow bending device (68r) Are required.)
トリチウム(T)は、専用のイオン移送路(68)及びイオン流屈曲器(68r、#11〜13)から構成する核融合燃料循環路(69、#1)を経由して、荷電粒子のままで、粒子加速器(62、#11、T)に輸送し、100keVまで加速し、高速のD粒子が衝突する直前に、低速のD粒子に衝突するように発射する。
図12には、トリチウム(T)専用の核融合燃料循環路(69、#1)を1本のみ描いているが、多面体(32)の面数と同数の荷電粒子収束器(56、#1〜32)があり、多数のイオン流屈曲器(68r)及びイオン移送路(68)を組み合わせて、1本の荷電粒子流に合流させて、粒子加速器(62、#11、T)に輸送する。
Tritium (T) passes through the fusion fuel circulation path (69, # 1) composed of the dedicated ion transfer path (68) and the ion flow bending device (68r, # 11-13), and remains charged particles. Then, it is transported to the particle accelerator (62, # 11, T), accelerated to 100 keV, and fired so as to collide with the low-speed D particles just before the high-speed D particles collide.
FIG. 12 shows only one fusion fuel circulation path (69, # 1) dedicated to tritium (T), but the number of charged particle concentrators (56, # 1) equal to the number of faces of the polyhedron (32) 32), a large number of ion flow bending devices (68r) and an ion transfer path (68) are combined to be combined into one charged particle flow, and transported to the particle accelerator (62, # 11, T). .
核融合せずに核融合反応領域(52)を通過した未反応燃料粒子(49n)は、表4に示したようにD粒子の核融合反応率(ηf)が低いから、高速粒子、低速粒子共に循環して再利用する。
核融合炉容器(58)の下部に設けたイオン回収路(68c)から未反応燃料粒子(49n)を回収し、再利用する。
イオン流屈曲器(68r)及びイオン移送路(68)により構成したデューテリウム(D)用の燃料粒子循環路(69、#00、#01)に加え、荷電粒子発生装置(61、#0)と粒子加速器(62、#0)から補充されたデューテリウム(D)とを合成して、
低速ビームの未反応燃料粒子(49n、D)は、低速用の粒子加速器(62、#00)へ、
高速ビームの未反応燃料粒子(49n、D)は、回生減速器(67E、#0)で減速して、高速用の粒子加速器(62、#01)へ循環し再利用する。The unreacted fuel particles (49n) that have passed through the fusion reaction region (52) without performing fusion, as shown in Table 4, have a low fusion reaction rate (η f ) of D particles, so The particles are circulated and reused.
The unreacted fuel particles (49n) are recovered from the ion recovery path (68c) provided at the lower part of the fusion reactor vessel (58) and reused.
In addition to the fuel particle circulation path (69, # 00, # 01) for deuterium (D) constituted by the ion flow bending device (68r) and the ion transfer path (68), a charged particle generator (61, # 0) And deuterium (D) replenished from the particle accelerator (62, # 0) are synthesized,
The unreacted fuel particles (49n, D) of the low-speed beam are sent to the low-speed particle accelerator (62, # 00).
The unreacted fuel particles (49n, D) of the high-speed beam are decelerated by the regenerative speed reducer (67E, # 0), circulated to the high-speed particle accelerator (62, # 01) and reused.
高速のD粒子は、炉内で低速のD粒子を追い越し、先に出て来るが、再利用して発射するのは低速のD粒子の後であるから、燃料粒子循環路(69、#01)の長さを燃料粒子循環路(69、#00)より長くとり、時間差を調整する。
荷電粒子ビームの衝突を外した場合、燃料粒子循環路(69、#00、#01、#10)中のデューテリウム(D)とトリチウム(T)の量が増え過ぎるので、荷電粒子発生器(61、#0、#1)の粒子量を調整する。The high-speed D particles pass the low-speed D particles in the furnace and come out first, but are reused and fired after the low-speed D particles, so that the fuel particle circulation path (69, # 01) ) Is made longer than the fuel particle circulation path (69, # 00) to adjust the time difference.
When the collision of the charged particle beam is removed, the amount of deuterium (D) and tritium (T) in the fuel particle circulation path (69, # 00, # 01, # 10) becomes too large, so that the charged particle generator ( 61, # 0, and # 1) are adjusted.
イオン回収路(68c)には、図には示していないが、環状に配置した複数の電極に生じる電圧、電圧の偏差、時刻から、荷電粒子ビームの粒子の量、到達位置、時刻を検出するセンサーを備えて、衝突状態の把握に必要なデータを取得している。
荷電粒子収束器(56)に真空容器(56)としての役割を与え、その周囲の除熱室(67a)にヘリウム4ガス(24)を循環するなどして、機器の冷却と熱回収を行う。
Although not shown in the figure, the amount, the arrival position, and the time of the charged particle beam are detected from the voltages, the voltage deviations, and the times generated in the plurality of annularly arranged electrodes in the ion collection path (68c). Equipped with a sensor, it acquires data necessary for grasping the collision state.
The charged particle concentrator (56) is given a role as a vacuum vessel (56), and circulates a helium 4 gas (24) to a heat removal chamber (67a) around the charged particle concentrator to cool and heat the equipment. .
<イオン流屈曲器>
図13(a)は、図12に対応する、2つの扇型磁場(68m、#03、#08)により構成したイオン屈曲器(68r、#03、#08)とイオン中和器(70)の説明図である。
イオン流屈曲器(68r)は、移送する核種の荷電粒子の流れを、扇型の磁界及び電界により任意の方向に屈曲させる。
表7は、燃料粒子の速度に対する、1テスラの磁界中における回転半径の計算表である。
イオン流屈曲器(68r)は、移送する核種の荷電粒子の流れを、扇型の磁界により屈曲させる。
図10〜15に描くイオン屈曲器(68r)の基本となる屈曲角度は、全て90°の図を例示しているが、これは説明のための平面図の都合によるものであり、実際には、立体的な配置の都合により基本となる屈曲角度を設計する。
移送目的外の核種の粒子及び異なる速度の粒子は、基本となる屈曲角度と異なる角度で打ち出されるので、荷電粒子流の精製を合わせて行うことができる。
表7 燃料粒子の磁界中の回転半径計算表<Ion flow bending device>
FIG. 13A shows an ion bending device (68r, # 03, # 08) and an ion neutralizer (70) constituted by two fan-shaped magnetic fields (68m, # 03, # 08) corresponding to FIG. FIG.
The ion flow bending device (68r) bends the flow of charged nuclide particles in an arbitrary direction using a sector-shaped magnetic field and electric field.
Table 7 is a calculation table of the radius of gyration in a magnetic field of 1 Tesla with respect to the velocity of the fuel particles.
The ion flow bending device (68r) bends the flow of charged nuclide particles by a fan-shaped magnetic field.
The bending angles which are the basic bending angles of the ion bending device (68r) shown in FIGS. 10 to 15 are all illustrated as 90 °, but this is due to the convenience of the plan view for explanation. The basic bending angle is designed according to the three-dimensional arrangement.
The nuclide particles and the particles having different velocities, which are not transported, are ejected at an angle different from the basic bending angle, so that the charged particle stream can be purified together.
Table 7 Calculation table of radius of gyration of fuel particles in magnetic field
低速の燃料粒子であるデューテリウム(D)は、イオン流屈曲器(68r、#03)で目的の方向に曲げられ、イオン移送路(68、#1)に送られる。
高速の燃料粒子であるデューテリウム(D)は、イオン流屈曲器(68r、#03)を突き抜け、より強力な扇型磁場(68m)を備えたイオン流屈曲器(68r、#08)で目的の方向に曲げられ、イオン移送路(68、#2)に送られる。
散乱粒子(49s)のうち速度の遅い粒子は、扇型磁場(68m)の内側に向かい、磁場を設けていない散乱粒子分離器(68s)を経由して、イオン中和器(70)に導く。
グリッド電極(73e、#0)に負電圧をかけて散乱粒子(49s)を誘導している。
核融合生成荷電粒子(49c)もイオン回収路(68c)に混入するが、速度が速いため2つの扇型磁場(68m、#03、#08)を突き抜けて、イオン中和器(70)に到達する。Deuterium (D), which is a low-speed fuel particle, is bent in a target direction by an ion flow bending device (68r, # 03) and sent to an ion transfer path (68, # 1).
Deuterium (D), which is a high-speed fuel particle, penetrates the ion flow bending device (68r, # 03) and is aimed at the ion flow bending device (68r, # 08) with a stronger fan-shaped magnetic field (68m). And sent to the ion transfer path (68, # 2).
Of the scattered particles (49s), the slower one goes toward the inside of the fan-shaped magnetic field (68m), and is guided to the ion neutralizer (70) via the scattered particle separator (68s) without a magnetic field. .
A negative voltage is applied to the grid electrode (73e, # 0) to induce scattering particles (49s).
The fusion-produced charged particles (49c) also enter the ion recovery path (68c), but penetrate the two fan-shaped magnetic fields (68m, # 03, # 08) due to their high speed, and enter the ion neutralizer (70). To reach.
イオン流屈曲器(68r)及びイオン中和器(70)は、セラミックなどの絶縁材料で構成し、荷電粒子が電極に接触することによる事故を防いでいる。
絶縁材料の外面には、図には示していないが、磁極面にも電極(71)を設けている。
荷電粒子が入って来ない時間帯に、これらの電極(71)にパルス状の高電圧を加えて、帯電した荷電粒子を除去する。
The ion flow bending device (68r) and the ion neutralizing device (70) are made of an insulating material such as ceramic, and prevent an accident due to contact of charged particles with the electrode.
Although not shown in the drawing, an electrode (71) is provided on the outer surface of the insulating material, also on the pole face.
In a time zone where charged particles do not enter, a pulsed high voltage is applied to these electrodes (71) to remove charged charged particles.
<イオンの中和>
図13(a)の下部は、イオン中和器(70、#0)である。
グリッド電極(73e、#1)の電位をグリッド電極(73e、#0)より負電位に保ち、散乱粒子(49s)及び核融合生成荷電粒子(49c)を、先端を絞ったノズルに誘導して打ち出し、マイクロ波放電式の電子発生器(70e)により中和し、ガスに戻している。
直列に接続した高抵抗でグリッド電極(73e、#0、#1)の電圧を分圧して分圧電極71eに加え、グリッド電極(73e、#0、#1)間にノズルの先端に向けて誘導する電界を形成している。
核種により速度が異なるから、それぞれの種類の荷電粒子が先端を絞った流路を安定に通過するように、粒子の到来時刻毎に非球面グリッド電極(73e)の電圧を瞬時に調整する方法もある。
中和して生成したガスは、ターボ分子ポンプなどの高真空ポンプ(76h)により吸引し、図に示していないが、複数段の真空ポンプ(76)により加圧して、ガスボンベ(79、#0)に回収する。
先端を絞ったノズルから円形の容器内に荷電粒子を打ち出し、高真空ポンプ(76h)により吸引できなかったガスを回転運動させて、中和されたガスの逆流を防止する。<Ion neutralization>
The lower part of FIG. 13A is an ion neutralizer (70, # 0).
The potential of the grid electrode (73e, # 1) is kept at a more negative potential than the grid electrode (73e, # 0), and the scattering particles (49s) and the fusion-produced charged particles (49c) are guided to a nozzle with a narrowed tip. It is discharged, neutralized by a microwave discharge type electron generator (70e), and returned to gas.
The voltage of the grid electrode (73e, # 0, # 1) connected in series is divided by a high resistance and applied to the voltage dividing electrode 71e, and the voltage is applied between the grid electrodes (73e, # 0, # 1) toward the tip of the nozzle. An induced electric field is formed.
Since the speed varies depending on the nuclide, a method of instantly adjusting the voltage of the aspherical grid electrode (73e) at each arrival time of the particle so that each type of charged particle stably passes through the narrowed flow path may be used. is there.
The gas generated by the neutralization is sucked by a high vacuum pump (76h) such as a turbo molecular pump, and is pressurized by a multi-stage vacuum pump (76), not shown in the figure, to produce a gas cylinder (79, # 0). ).
Charged particles are ejected from a nozzle with a narrowed end into a circular container, and a gas that could not be sucked by a high vacuum pump (76h) is rotated to prevent a backflow of the neutralized gas.
図10〜15の、どのイオン流屈曲器(68r)においても、屈曲目的の荷電粒子に混入した異原子核(49s)や炉の真空(00)に面する材料に含まれる吸蔵ガス粒子などが分離され、極僅かだが排出されるから、図には示していないが、全てのイオン流屈曲器(68r)にイオン中和器(70)が必要である。
中和器(70、#0)には、イオン回収路(68c)の開口面に照射される核融合生成荷電粒子(49c)が排出される。
これらの核融合生成荷電粒子(49c)、散乱粒子・異原子核・散乱粒子(49s)は、ガスボンベ(79、#0)に回収する。
In any of the ion flow bending devices (68r) shown in FIGS. 10 to 15, foreign nuclei (49s) mixed in charged particles intended for bending and occluded gas particles contained in a material facing the vacuum (00) of the furnace are separated. Although not shown in the figure, an ion neutralizer (70) is required for all ion flow bendrs (68r) because they are discharged only slightly.
The neutralization device (70, # 0) discharges the fusion-produced charged particles (49c) irradiated to the opening surface of the ion recovery path (68c).
These fusion-produced charged particles (49c), scattering particles, foreign nuclei, and scattering particles (49s) are collected in a gas cylinder (79, # 0).
図13(b)は、回生減速器(67E)に接続するイオン中和器(70)の説明図である。
グリッド電極(73e、#0、#1)により誘導電界を形成(側面は、分圧電極71eにより、ノズル先端に向けた誘導電界を形成する。)し、先端を絞ったノズルから円形の容器内に減速した核融合生成荷電粒子(49c)を打ち出し、マイクロ波放電式などの電子発生器(70e)により中和し、ガスに戻している。
先端を絞ったノズルから荷電粒子を打ち出し、高真空ポンプ(76h)により吸引できなかったガスを回転運動させて、中和されたガスの逆流を防止する。
簡易炉(50s)では、回生減速器(67E、#15〜325)を通過した荷電粒子は、複数の核種が含まれており、速度の遅い粒子も存在するから、グリッド電極(73e、#0、#1)が作る電界により誘導を行う。
連携炉(50c)では、回生減速器(67E、#11〜324)を通過した荷電粒子は、一の核種に限られ、減速後の一定の速度で進入してくるから、固定磁石により磁界型電子レンズ(73m)により、収束させることができる。FIG. 13B is an explanatory diagram of the ion neutralizer (70) connected to the regenerative speed reducer (67E).
An induced electric field is formed by the grid electrodes (73e, # 0, # 1) (the side surface forms an induced electric field toward the nozzle tip by the voltage-dividing electrode 71e), and a circular nozzle is formed from the nozzle with a narrowed tip. The fusion-produced charged particles (49c) are ejected, neutralized by an electron generator (70e) of a microwave discharge type or the like, and returned to gas.
Charged particles are ejected from a nozzle with a narrowed tip, and a gas that could not be sucked by a high vacuum pump (76h) is rotated to prevent a backflow of the neutralized gas.
In the simple furnace (50s), the charged particles that have passed through the regenerative speed reducer (67E, # 15 to 325) contain a plurality of nuclides and some particles have a low speed. , # 1) are induced by the electric field.
In the cooperative reactor (50c), the charged particles passing through the regenerative moderator (67E, # 11 to 324) are limited to one nuclide and enter at a constant speed after deceleration. It can be converged by the electron lens (73m).
表8は、核融合生成荷電粒子(49c)をガス化した際のガス量の計算表である。
トリチウム(T)と中性子(n)は、ガス化の対象でないので、1気圧におけるガスの体積は示していない。
核融合生成荷電粒子(49c)を中和してガス化すると、D−D反応及びD−D反応の各イオン中和器(70)では、毎秒1.3〜2.8ミリリットル、D−3He反応では、毎秒4.1ミリリットルのガスになる。
回生減速器(67E)により減速した核融合生成荷電粒子(49c)は、各イオン中和器(70、#1〜32)に、それぞれ32分の1前後のガスを生成するので、ターボ分子ポンプなど高真空ポンプ(76h)で吸引し、図に示していないが、複数段の真空ポンプ(76)により加圧して、ガスの種類に応じたガスボンベ(79、#0、#1、#2、#4)に回収する。(簡易炉(50s)では、分別せずにガスボンベ(79、#0)に回収する。)
表8 核融合生成粒子の回収ガス量の計算表Table 8 is a calculation table of the gas amount when the fusion-produced charged particles (49c) are gasified.
Since tritium (T) and neutrons (n) are not subject to gasification, the gas volumes at one atmosphere are not shown.
When the fusion-produced charged particles (49c) are neutralized and gasified, the ionization neutralizers (70) for the DD reaction and the DD reaction have a density of 1.3 to 2.8 milliliters per second and D- 3. The He reaction yields 4.1 milliliters of gas per second.
The fusion-produced charged particles (49c) decelerated by the regenerative decelerator (67E) generate approximately 1/32 of a gas in each of the ion neutralizers (70, # 1 to 32). Suction by a high vacuum pump (76h) and pressurized by a plurality of stages of vacuum pumps (76) (not shown in the figure) to obtain gas cylinders (79, # 0, # 1, # 2, Collect in # 4). (In the simple furnace (50s), it is collected in a gas cylinder (79, # 0) without separation.)
Table 8 Calculation table for the amount of recovered gas of fusion product particles
トリチウム(T)は、通常の運用状態ではほぼ完全に消滅するが、荷電粒子ビームが衝突せずに外れた場合は、大量のトリチウム(T、約0.365μg/banch)が循環するから、図13のイオン流屈曲器(68r、#08)に示すように、イオン移送路(68、#2)に送られるデューテリウム(D)と異なる角度に曲げられ、イオン移送路(68、#3)に分離される。
図12のイオン流屈曲器(68r、#08)から、イオン流屈曲器(68r、#15・・#17)及び回生減速器(67E、#10)を経て、粒子加速器(62、#11)に送り、再度、トリチウム(T)の消滅を行う。Tritium (T) almost completely disappears in a normal operation state, but when the charged particle beam comes off without colliding, a large amount of tritium (T, about 0.365 μg / bunch) circulates. As shown in the thirteenth ion flow bending device (68r, # 08), it is bent at an angle different from that of the deuterium (D) sent to the ion transfer path (68, # 2), and the ion transfer path (68, # 3). Is separated into
From the ion flow bending device (68r, # 08) of FIG. 12, the ion accelerator (62r, # 11) passes through the ion flow bending device (68r, # 15... # 17) and the regenerative decelerator (67E, # 10). And again extinguishes tritium (T).
1つの炉でヘリウム3(3He)を燃料として用いる核融合反応を同時に行う場合は、表7に示すように、トリチウム(T)と磁界中の回転半径が同一であるため、このままでは分離困難である。
到達時刻が異なるのでキッカー(68k)を設けて分離することも可能であるが、回生減速器(67E、#10)による回生減速後のヘリウム3(3He)とトリチウム(T)の粒子速度が変化し、磁界中の回転半径が違ってくるので、イオン流屈曲器(68r、#17)で分離することができる。
質量電荷比(m/z)が大きい(質量/電荷が小さい)粒子ほど、減速の効果が大きく現れる。
イオン流屈曲器(68、#17、#18)は、複数種類の荷電粒子を分離する能力を有しているという点において、荷電粒子分離器(68x)と同等である。When the nuclear fusion reaction using helium 3 ( 3 He) as a fuel is simultaneously performed in one furnace, as shown in Table 7, the tritium (T) and the radius of gyration in the magnetic field are the same, so that separation is difficult as it is. It is.
While arrival time is also possible to separate by providing a kicker (68k) is different, regenerative braking unit (67E, # 10) particle velocity helium 3 (3 He) and tritium after regenerative braking by (T) is Since it changes and the radius of gyration in the magnetic field changes, it can be separated by the ion flow bending device (68r, # 17).
Particles having a larger mass-to-charge ratio (m / z) (smaller mass / charge) have a greater deceleration effect.
The ion flow bending device (68, # 17, # 18) is equivalent to the charged particle separator (68x) in that it has the ability to separate a plurality of types of charged particles.
イオン流屈曲器(68r、#17、#18)は、異原子核(49s)の分離量が多くなるので、荷電粒子の核種分離を行い、中和器(70、#1、#2、#4)で中和してガスボンベ(79、#1、#2、#4)への輸送ルートを設けている。(デューテリウム(D)は、ヘリウム4(4He)と質量電荷比(m/z)が同じであるから、分離できない。
ガスボンベ(79、#2、24)に水素吸蔵合金(79m)を内蔵させて重水素ガス(12、D2)を吸着し、取り出す時に分離する。)
荷電粒子ビームの衝突が外れた場合は、燃料粒子循環路(69、#1)中のトリチウム(T)が増えすぎないように、一時的に荷電粒子発生器(61、#0)の高速粒子の量を調整し、D−D反応を抑制する連携動作が必要である。
The ion flow bending device (68r, # 17, # 18) separates nuclides of charged particles because the separation amount of foreign nuclei (49s) increases, and the neutralizers (70, # 1, # 2, # 4). ) To provide a transportation route to gas cylinders (79, # 1, # 2, # 4). (Deuterium (D), since helium 4 (4 the He) between the mass-to-charge ratio (m / z) are the same, inseparable.
A hydrogen storage alloy (79 m) is incorporated in a gas cylinder (79, # 2, 24) to adsorb deuterium gas (12, D 2 ) and is separated when taken out. )
When the collision of the charged particle beam comes off, the high-speed particles of the charged particle generator (61, # 0) are temporarily stopped so that the tritium (T) in the fuel particle circulation path (69, # 1) does not increase too much. It is necessary to cooperate to adjust the amount of the reaction and suppress the DD reaction.
<トリチウムガス>
連携型(50c)の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉(50)は、ガス化した状態で回収されたトリチウム(T)などの処分方法を確保するため、図13に示すとおり、荷電粒子発生器(61、#1)及び、粒子加速器(62、#10)を備える構成としている。(図10の簡易炉では、分離を行わない構成である。)
図12の連携炉のガスボンベ(79、#0)に回収したガスは、荷電粒子発生器(61、#1)により荷電粒子にして、粒子加速器(62、#10)で加速し、イオン流屈曲器(68r、#18)でトリチウム(T)のみを選択し、粒子加速器(62、#11、T)に送り込んで、トリチウム(T)の消滅を行う。<Tritium gas>
As shown in FIG. 13, a charged particle beam fusion reactor (50) of a cooperative type (50c) has a charged particle generator as shown in FIG. 13 in order to secure a disposal method of tritium (T) recovered in a gasified state. (61, # 1) and a particle accelerator (62, # 10). (In the simple furnace of FIG. 10, the separation is not performed.)
The gas collected in the gas cylinder (79, # 0) of the cooperative furnace shown in FIG. 12 is converted into charged particles by the charged particle generator (61, # 1), accelerated by the particle accelerator (62, # 10), and bent by the ion flow. Only tritium (T) is selected by the accelerator (68r, # 18) and sent to the particle accelerator (62, # 11, T) to eliminate tritium (T).
その他の粒子(D、3He、4He)は、イオン流屈曲器(68r、#18)からイオン中和器(70、#1、#2、#4)でガスに戻して、ガスボンベ(79、#1、#2、#4)に送る。
イオン流屈曲器(68r、#18)は、核種毎に分離する点で、荷電粒子分離器(68x)とほぼ同等である。
イオン屈曲器(68r、#18)では、吸蔵ガス粒子などが分離されるから、イオン中和器(70、#3)を経由し、ガスボンベ(79、#3)に回収する。
Other particles (D, 3 the He, 4 the He) is ion flow bending device (68r, # 18) ion neutralizer from (70, # 1, # 2, # 4) back to the gas, the gas cylinder (79 , # 1, # 2, # 4).
The ion flow bending device (68r, # 18) is substantially the same as the charged particle separator (68x) in that it separates each nuclide.
In the ion bending device (68r, # 18), occluded gas particles and the like are separated, and are collected in the gas cylinders (79, # 3) via the ion neutralizer (70, # 3).
<中性子減速材の循環>
図14(a)は、実施例3のトリチウム消滅連携型(50c)の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉(50)の中性子減速材(10)の循環を示す。
中性子遮蔽室(67s)を下から上まで循環し中性子(n)の遮蔽を行った常圧の中性子減速材(10)は、加圧ポンプ(87)で加圧し、内側最下部の中性子熱変換器(67c)に送られる。
複数の中性子熱変換器(67c)を下から上に向かって循環し、強い中性子(n)の照射を受けて熱せられる。
高温になった中性子減速材(10)は、上部の中性子熱変換器(67c)から取り出し、タービン(86)を回して発電機(88)を駆動し、電力を得る。<Circulation of neutron moderator>
FIG. 14A shows the circulation of the neutron moderator (10) of the tritium annihilation cooperative (50c) charged particle beam collision type fusion reactor (50) of the third embodiment.
The neutron moderator (10) circulating from the bottom to the top in the neutron shielding chamber (67s) and shielding the neutrons (n) is pressurized by the pressurizing pump (87), and the neutron heat conversion at the innermost lowermost part To the vessel (67c).
The plurality of neutron heat converters (67c) circulate from bottom to top, and are heated by irradiation of strong neutrons (n).
The heated neutron moderator (10) is taken out of the upper neutron heat converter (67c), and the turbine (86) is turned to drive the generator (88) to obtain electric power.
中性子(n)の影響を受けにくいヘリウム4ガス(24)を、除熱室(67a)に送り、高温となったヘリウムガス(24)による中性子減速材(10)の再加熱を、タービン(86)内で行っている。
中性子減速材(10)は、復水器(89)で冷却した後、再度中性子遮蔽室(67s)の下部に戻し、循環している。
中性子熱変換器(67c)の中性子(n)の照射を受ける個所には、十分な強度があり、中性子反応断面積(σn)が小さく放射化しにくいセラミックなどの強靭な材料で構成する。
中性子減速材(10)として、水を使用するが、中性子(n)を吸収して、デューテリウム(D)に変化するので、定期的に外部に取り出して、デューテリウム(D)を抽出する。The helium 4 gas (24), which is hardly affected by the neutrons (n), is sent to the heat removal chamber (67a), and the neutron moderator (10) is re-heated by the hot helium gas (24). ) Within.
After being cooled by the condenser (89), the neutron moderator (10) returns to the lower part of the neutron shielding chamber (67s) again and circulates.
The neutron heat converter (67c) is irradiated with the neutrons (n) at a place where the neutrons are irradiated with neutrons (n) having sufficient strength and a small neutron reaction cross section (σ n ) made of a tough material such as ceramic which is hardly activated.
Although water is used as the neutron moderator (10), it absorbs neutrons (n) and changes into deuterium (D), so it is periodically taken out to extract deuterium (D).
<停止手順>
連携型(50c)の停止手順は、高速の荷電粒子ビームを停止し、新たなD−D反応を停止する。
トリチウム(T)粒子が十分に減少した後、低速の荷電粒子発生器(61、#0、D)を停止する。
キッカー(68k、#1)により、イオン中和器(70、#0)を経由して、循環している低速の荷電粒子ビームのデューテリウム(D)をガスボンベ(79、#0)に回収し、連携炉(50c)を停止する。
重水素ガス(12)であるから、燃料ガスボンベ(12、D2)に戻す方法も考えられるが、停止時に限って発生する微量のガスであるから、散乱粒子(49s)と一緒にして、ガスボンベ(79、#0)に回収している。
<Stop procedure>
The cooperative (50c) stop procedure stops the fast charged particle beam and stops a new DD reaction.
After the tritium (T) particles are sufficiently reduced, the low-speed charged particle generator (61, # 0, D) is stopped.
The kicker (68k, # 1) collects the circulating low-speed charged particle beam deuterium (D) into the gas cylinder (79, # 0) via the ion neutralizer (70, # 0). And shut down the cooperative furnace (50c).
Since the deuterium gas (12) is used, a method of returning to the fuel gas cylinder (12, D 2 ) is also conceivable. However, since it is a trace amount of gas generated only at the time of stoppage, the gas cylinder is used together with the scattered particles (49s). (79, # 0).
<実施例4:トリチウム増倍炉>
図14(b)は、実施例4のトリチウム増倍型(50t)の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉(50)のトリチウム(T)の循環を示している。
荷電粒子の衝突方式として、一方が、入手が容易なデューテリウム(D)の直径2μmの粒子数が多い低速の荷電粒子ビームと、他方がデューテリウム(D)とトリチウム(T)の2種類の直径1μmの粒子数が少ない高速の荷電粒子ビームを衝突させる実施例3のトリチウム消滅連携炉(50c)と同じ構成をしている。
実施例4は、粒状に加工したトリチウム増殖材(LTZO20)で満たした、トリチウム増殖率(ηt)が1以下のトリチウム増殖室(67T)を、実施例3の連携炉(50c)の熱交換室(67Q)に加えた構成である。
中性子増倍材であるベリリウム(Be)を加えて、トリチウム増殖率(ηt)を調整する。
中性子(n)の照射を受け、トリチウム増殖室(67T)にトリチウム(T)、ヘリウム4(4He)などを生成する。<Example 4: Tritium multiplier>
FIG. 14B shows the circulation of tritium (T) in the tritium multiplication type (50t) charged particle beam collision type fusion reactor (50) of the fourth embodiment.
As the charged particle collision method, one is a deuterium (D), which is easily available, and is a slow charged particle beam having a large number of particles having a diameter of 2 μm, and the other is a deuterium (D) and tritium (T). It has the same configuration as the tritium annihilation cooperative reactor (50c) of the third embodiment in which a high-speed charged particle beam having a small number of particles having a diameter of 1 μm is collided.
In the fourth embodiment, the tritium breeding chamber (67T) filled with the tritium breeding material (LTZO20) processed into a granule and having a tritium breeding rate (η t ) of 1 or less is heat-exchanged in the cooperating furnace (50c) of the third embodiment. This is a configuration added to the room (67Q).
Beryllium (Be), a neutron multiplier, is added to adjust the tritium growth rate (η t ).
Irradiated with neutrons (n), tritium breeding chamber (67T) tritium (T), to produce a like helium 4 (4 He).
トリチウム増殖室(67T)は、上下のトリチウム増殖室(67T)を連結し、ガスボンベ(79、#4)から重水素ガス(12)を1%添加したヘリウム4ガス(24)を還流させて、中性子(n)の照射を受けて発生するトリチウム(T)を、水素ガス(HT、DTなど)の形態で回収する。
集塵器(83a)をとおして回収した高温のガスに含まれる熱エネルギー(Q)を熱交換器(84)で回収し、タービン(86)、発電機(88)により発電を行い、電気エネルギー(E)を得る。
水素透過膜を用いた水素分離器(82a)は、300℃〜400℃で最も活性度が高まるから、熱交換器(84)から水素透過膜を用いた水素分離器(82a)を経由して再び熱交換器(84)に戻す経路を形成している。
水素分離器(82a)で水素を回収し、除湿器(83b)で液化した水分(HTOなども含まれるので、図には示していないが処理が必要である。)、化合物等を取り除き、加圧ポンプ(87)で加圧して、ガスを再び循環させている。
水素透過膜を用いた水素分離器(82a)により濃縮した三重水素を含む水素ガス(HT、DT等)は、ガスボンベ(79、#0)に回収する。The tritium breeding chamber (67T) connects the upper and lower tritium breeding chambers (67T), and refluxes a helium 4 gas (24) to which 1% deuterium gas (12) is added from a gas cylinder (79, # 4). Tritium (T) generated by neutron (n) irradiation is recovered in the form of hydrogen gas (HT, DT, etc.).
The heat energy (Q) contained in the high-temperature gas collected through the dust collector (83a) is collected by the heat exchanger (84), and the electric power is generated by the turbine (86) and the generator (88). (E) is obtained.
The hydrogen separator (82a) using the hydrogen permeable membrane has the highest activity at 300 ° C to 400 ° C. Therefore, the hydrogen separator (82a) uses the hydrogen separator (82a) using the hydrogen permeable membrane from the heat exchanger (84). A path for returning to the heat exchanger (84) is formed.
The hydrogen is recovered by the hydrogen separator (82a), and the water liquefied by the dehumidifier (83b) (including HTO, etc., is not shown in the figure, but requires treatment), and the compounds are removed. The gas is circulated again by pressurizing with the pressure pump (87).
The hydrogen gas (HT, DT, etc.) containing tritium concentrated by the hydrogen separator (82a) using the hydrogen permeable membrane is collected in a gas cylinder (79, # 0).
ガスボンベ(79、#0)に回収したガス(散乱粒子(49s)等を含む。)は、荷電粒子発生器(61、#1)に送ってイオン化し、イオン流屈曲器(68、#18)によりトリチウム(T)のみを選択し、粒子加速器(62、#11、T)に送っている。
イオン流屈曲器(68、#18)によりトリチウム(T)以外の物質が分離されるので、イオン中和器(70、#1、#2、#3、#4)によりガスに戻し、ガスボンベ(79、#1、#2、#3、#4)に回収する。
トリチウム増殖室(67T)から回収したトリチウム(T)を加えて、D−T反応を維持し、トリチウム(T)が十分に増加した後は、D−D反応を減らして発電量を維持するように調整する。The gas (including scattered particles (49s) and the like) collected in the gas cylinder (79, # 0) is sent to the charged particle generator (61, # 1) to be ionized, and ionized by the ion flow bending device (68, # 18). , Only tritium (T) is selected and sent to the particle accelerator (62, # 11, T).
Since substances other than tritium (T) are separated by the ion flow bending device (68, # 18), the substances are returned to gas by the ion neutralizer (70, # 1, # 2, # 3, # 4), and the gas cylinder ( 79, # 1, # 2, # 3, # 4).
Tritium (T) recovered from the tritium breeding chamber (67T) is added to maintain the DT reaction, and after the tritium (T) has sufficiently increased, reduce the DD reaction to maintain the power generation. Adjust to
<停止手順>
D−D反応を完全に停止した後、時間と共に減少する循環するトリチウム(T)が十分に減少した後に、キッカー(68k、#1、#2)を動作して、低速の燃料粒子(D)及び高速のトリチウム(T)をイオン中和器(70、#0)に送り、炉を停止する。
炉の停止の後、低速の燃料粒子(D)及び消滅できなかった三重水素ガス(13)がガスボンベ(79、#0)に残される。
<Stop procedure>
After the DD reaction is completely stopped, the kicker (68k, # 1, # 2) is operated after the circulating tritium (T), which decreases with time, is sufficiently reduced, and the low-speed fuel particles (D) are operated. Then, high-speed tritium (T) is sent to the ion neutralizer (70, # 0), and the furnace is stopped.
After shutting down the furnace, low-velocity fuel particles (D) and tritium gas (13) that could not be extinguished are left in the gas cylinder (79, # 0).
<実施例5 トリチウム増殖炉>
図15は、実施例5のトリチウム増殖型(50T)の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉(50)の構成図である。
荷電粒子の衝突方式として、一方が、入手が容易なデューテリウム(D)の直径2μmの粒子数が多い低速の荷電粒子ビームと、他方がトリチウム(T)の直径1μmの粒子数が少ない高速の荷電粒子ビームを衝突させる構成としている。
実施例5は、トリチウム増殖率(ηt)が1以上のトリチウム増殖室(67T)、中性子調整室(67v)を備える構成としたものである。
D−T反応のみでよいから、実施例4の増倍炉(50t)と比較して、高速のD粒子の燃料粒子循環路(69、#01)、電荷質量分離器(68x)を取り除くことができ、部品数を削減できる。
未反応燃料粒子(49n)のトリチウム(T)専用の回収路も省略し、イオン流屈曲器(68r、#04)、イオン中和器(70、#0)を経由し、ガスボンベ(79、#0)に回収する構成としている。
図には示していないが、回生減速器(67E)に抵抗体(67R)を組み合わせ、熱変換型とすることもできる。<Example 5 Tritium breeding reactor>
FIG. 15 is a configuration diagram of a tritium breeding (50T) charged particle beam collision type fusion reactor (50) of the fifth embodiment.
As a collision method of charged particles, one is a deuterium (D), which is easily available, a low-speed charged particle beam having a large number of 2 μm particles, and the other is a tritium (T), a high-speed charged particle beam having a small number of 1 μm particles. It is configured to collide with a charged particle beam.
In the fifth embodiment, a tritium breeding chamber (67T) having a tritium breeding rate (η t ) of 1 or more and a neutron adjustment chamber (67v) are provided.
Since only the DT reaction is required, the fuel particle circulation path (69, # 01) and the charge-mass separator (68x) of the D particles, which are higher in speed than the multiplier (50t) of Example 4, are eliminated. And the number of parts can be reduced.
The recovery path dedicated to tritium (T) for the unreacted fuel particles (49n) is also omitted, and the gas cylinders (79, # 0) are passed through the ion flow bending device (68r, # 04) and the ion neutralizer (70, # 0). 0).
Although not shown in the figure, a heat conversion type can be used by combining a resistor (67R) with the regenerative speed reducer (67E).
低速用の荷電粒子ビーム発生器(60、#0)は、荷電粒子発生装置(61、#0)、粒子加速器(62、#00、#01)、荷電粒子ビームを収束する電子レンズ(63)、及び、ビームの方向を調整する偏向器(64)で構成され、さらに、イオン回収路(68c)及び回生減速器(67E、#00)、並びに、イオン移送路(68)、イオン流屈曲器(68r)で構成する燃料粒子循環路(69、#0)を構成している。
高速用の荷電粒子ビーム発生器(60、#1)は、荷電粒子発生装置(61、#1)、粒子加速器(62、#10、#11)、荷電粒子ビームを収束する電子レンズ(63)、ビームの方向を調整する偏向器(64)で構成され、さらにイオン移送路(68)及びイオン流屈曲器(68r)で構成する燃料粒子循環路(69、#1)を構成している。The low-speed charged particle beam generator (60, # 0) includes a charged particle generator (61, # 0), a particle accelerator (62, # 00, # 01), and an electron lens (63) for converging the charged particle beam. , And a deflector (64) for adjusting the direction of the beam, and further, an ion recovery path (68c) and a regenerative decelerator (67E, # 00), an ion transfer path (68), and an ion flow bending device. (68r) constitutes the fuel particle circulation path (69, # 0).
A charged particle beam generator (60, # 1) for high speed includes a charged particle generator (61, # 1), a particle accelerator (62, # 10, # 11), and an electron lens (63) for converging the charged particle beam. , A beam deflector (64) for adjusting the beam direction, and a fuel particle circulation path (69, # 1) composed of an ion transfer path (68) and an ion flow bending unit (68r).
核融合燃料である重水素ガス(12)と三重水ガス(13)を荷電粒子発生装置(61、#0、#1)でイオン化し、荷電粒子を粒子加速器(62、#00、#10)により1keVまで加速してパルス状の荷電粒子ビームのバンチにし、イオン移送路(68)及びイオン流屈曲器(68r)から成る燃料粒子循環路(69、#0、#1)に送り出し、粒子加速器(62、#01、#11)により最終的な加速を行う。
先に粒子数の多い低速ビームを、次に粒高速ビームを、時間差を付けて核融合反応点(51)に向けて発射する。The deuterium gas (12) and the triple water gas (13), which are fusion fuels, are ionized by the charged particle generators (61, # 0, # 1), and the charged particles are accelerated by the particle accelerators (62, # 00, # 10). Accelerates to 1 keV to form a pulsed charged particle beam bunch, and sends it out to a fuel particle circulation path (69, # 0, # 1) comprising an ion transfer path (68) and an ion flow bending device (68r). The final acceleration is performed by (62, # 01, # 11).
First, a low-speed beam having a large number of particles and then a high-speed beam are fired with a time lag toward the fusion reaction point (51).
発射する荷電粒子ビームの速度は、核融合燃料の組み合わせによって決まる核融合反応断面積(σ)が大きくなる相対速度(低速ビーム:1keV、300km/s、高速ビーム:100keV、2,520km/s)とする。
核融合反応点(51)を先頭とする細長い核融合反応領域(52)で、バンチ全体が衝突するように発射時刻及び発射方向並びにバンチの傾きを調整する。
D−T反応で生じた核融合生成粒子(n、4He)は、極短時間で直径1μm及び2μmの燃料粒子ビームの外に出るから、他の燃料粒子に衝突することなく等方に飛翔し、表5に示した速度で、速度の速い粒子からn、4Heの順に、核融合炉容器(58)の周辺部に達する。The speed of the charged particle beam to be emitted is a relative speed (slow beam: 1 keV, 300 km / s, high speed beam: 100 keV, 2,520 km / s) at which the fusion reaction cross section (σ) determined by the combination of the fusion fuel is increased. And
In the elongated fusion reaction region (52) headed by the fusion reaction point (51), the launch time and launch direction and the bunch tilt are adjusted so that the entire bunch collides.
The fusion-produced particles (n, 4He) generated by the DT reaction exit out of the 1 μm and 2 μm diameter fuel particle beams in a very short time, and therefore fly isotropically without colliding with other fuel particles. At the speeds shown in Table 5, the particles having the highest speed reach the periphery of the fusion reactor vessel (58) in the order of n, 4He.
核融合反応点(51)を取り囲む様に隙間なく配置した荷電粒子収束器(56、#1〜32)により核融合生成荷電粒子(49c)を収束し、回生減速器(67E、#1〜32)により荷電粒子の運動エネルギー(K)の一部を直接電力変換して電気エネルギー(E)を得る。
回生減速器(67E)に抵抗体(67R)を組み合わせることで、熱変換型とすることもできる。
イオン中和器(70、#1〜32)でガスに戻し、ガスボンベ(79、#1)に回収する。The charged particles (49c) produced by the fusion are converged by the charged particle concentrators (56, # 1 to 32) which are arranged without gaps so as to surround the fusion reaction point (51), and the regenerative decelerators (67E, # 1 to 32). ) Directly converts a part of the kinetic energy (K) of the charged particles into electric power to obtain electric energy (E).
By combining the regenerative speed reducer (67E) with the resistor (67R), a heat conversion type can also be obtained.
The gas is returned to the gas by the ion neutralizer (70, # 1 to 32) and collected in the gas cylinder (79, # 1).
熱交換室(67Q)に、粒状に加工したトリチウム(LTZO20)と中性子増倍材であるベリリウム(Be)で満たしたトリチウム増殖率(ηt)が1以上のトリチウム増殖室(67T)と中性子調整室(67v)を加えた構成である。
中性子増倍材であるベリリウム(Be)でトリチウム増殖率(ηt)を調整する。
核融合反応で生じた中性子(n)の照射を受け、トリチウム増殖室(67T)にトリチウム(T)、ヘリウム4(4He)などを生成する。
トリチウム増殖室(67T)は、上下のトリチウム増殖室(67T)と接続管(67j)で連結し、ガスボンベ(79、#1)とガスボンベ(79、#3)に含まれる重水素ガス(12)を1%添加したヘリウム4ガス(24)を還流させて、中性子(n)の照射を受けて発生する粒子(D、T、4He、C)並びに付随して発生した化合物等をガスとして回収する。
回収した高温の還流ガスに含まれる増殖材等の微粒子を集塵器(83a)で除去し、熱交換器(84)で熱エネルギー(Q)を回収し、タービン(86)、発電機(88)により発電を行い、電気エネルギー(E)を得る。In a heat exchange chamber (67Q), a tritium breeding chamber (67T) having a tritium breeding rate (η t ) of 1 or more filled with granular tritium (LTZO20) and neutron multiplier beryllium (Be) and neutron adjustment This is a configuration in which a chamber (67v) is added.
The tritium multiplication rate (η t ) is adjusted with beryllium (Be), which is a neutron multiplier.
Irradiated with neutrons (n) generated by the nuclear fusion reactions, tritium breeding chamber (67T) tritium (T), to produce a like helium 4 (4 He).
The tritium breeding chamber (67T) is connected to the upper and lower tritium breeding chambers (67T) by connecting pipes (67j), and the gas cylinders (79, # 1) and the deuterium gas (12) contained in the gas cylinders (79, # 3). the refluxed 1% added helium 4 gas (24), the recovery occurring particles upon exposure to neutrons (n) (D, T, 4 the He, C) and concomitant compounds generated by such as gas I do.
Fine particles such as breeding material contained in the recovered high-temperature reflux gas are removed by the dust collector (83a), and the heat energy (Q) is recovered by the heat exchanger (84), and the turbine (86) and the generator (88) ) To generate electric energy (E).
除湿器(83b)で液化した水分(HTOなども含まれるので、図には示していないが別途分離処理が必要である。)、化合物等を取り除き、水素吸蔵合金(79m)を用いた水素分離器(82b)で水素等(主にHT分子、DT分子)をガスボンベ(79、#0)に回収し、重水素ガス(12)を添加し、加圧ポンプ(87)で加圧して、ヘリウム4ガス(24)を再び循環させる。
水素吸蔵合金(79m)を用いた水素分離器(82b)は、回転体に水素吸蔵合金(79m、#1、#2)を収蔵した2室を備え、定期的に回転(#1⇔#2)する構造で、一方(#1)で水素ガス(D2、HT、DT分子等)を吸蔵し、他方(#2)で加熱することで吸蔵したガスを放出させる。Moisture liquefied by the dehumidifier (83b) (HTO etc. is included, so it is not shown in the figure, but separate treatment is required), compounds, etc. are removed, and hydrogen separation using a hydrogen storage alloy (79m) is performed. Hydrogen and the like (mainly HT molecules and DT molecules) are collected in a gas cylinder (79, # 0) by a vessel (82b), deuterium gas (12) is added, and pressurized by a pressurizing pump (87) to make helium. The four gases (24) are circulated again.
A hydrogen separator (82b) using a hydrogen storage alloy (79m) has two chambers storing a hydrogen storage alloy (79m, # 1, # 2) in a rotating body, and rotates periodically (# 1 (# 2). In one structure (# 1), hydrogen gas (D 2 , HT, DT molecules, etc.) is occluded, and the other (# 2) is heated to release the occluded gas.
ガスボンベ(79、#0)に回収したガスは、荷電粒子発生器(61、#1)に送ってイオン化し、イオン流屈曲器(68、#10)によりトリチウム(T)のみを選択し、粒子加速器(62、#11、T)に送っている。
イオン流屈曲器(68、#10)によりトリチウム(T)以外の物質が分離されるので、イオン中和器(70、#1)によりガス(主にH2、HD、D2)に戻し、ガスボンベ(79、#3)に回収する。(デューテリウム(D)を完全に分離する構成とすることも可能である。)
中性子調整室(67v)を備え、中性子減速材(10)の量を調整することで、トリチウム増殖室(67T)に照射する中性子(n)の線量を調整し、炉全体のトリチウム増殖率(ηt)を制御する。
トリチウム増殖室(67T)を有しないD-T反応炉を隣接して設けるなど、余剰のトリチウム(T)を消滅出来る場合は、中性子調整室(67v)を省略することができる。
The gas collected in the gas cylinder (79, # 0) is sent to the charged particle generator (61, # 1) to be ionized, and only the tritium (T) is selected by the ion flow bending device (68, # 10). It is sent to the accelerator (62, # 11, T).
Since substances other than tritium (T) are separated by the ion flow bending device (68, # 10), they are returned to gas (mainly H 2 , HD, D 2 ) by the ion neutralizer (70, # 1). Collect in gas cylinder (79, # 3). (It is also possible to adopt a configuration in which the deuterium (D) is completely separated.)
A neutron control chamber (67v) is provided, and by adjusting the amount of the neutron moderator (10), the dose of neutrons (n) irradiated to the tritium breeding chamber (67T) is adjusted, and the tritium breeding rate (η) of the entire reactor is adjusted. t ).
If the excess tritium (T) can be eliminated, for example, by providing a DT reactor having no tritium breeding chamber (67T) adjacent thereto, the neutron conditioning chamber (67v) can be omitted.
<停止手順>
起動に必要なトリチウム(T)を確保した上で、中性子調整室(67v)内の中性子減速材(10)の量を増やして、トリチウム増殖率(ηt)を下げ、トリチウム(T)の消滅を行う。
荷電粒子発生器(61、#1)を停止し、高速の荷電粒子ビームを停止する。
次に、荷電粒子発生器(61、#0)を停止する。
循環している低速の荷電粒子ビームは、イオン流屈曲器(68r、#04)の偏向強度を変えて、イオン中和器(70、#0)に送って電子を与えて中和し、ガスボンベ(79、#0)に回収し、炉を停止する。
<Stop procedure>
After securing the tritium (T) necessary for the start-up, the amount of the neutron moderator (10) in the neutron control chamber (67v) is increased to reduce the tritium multiplication rate (η t ) and to extinguish the tritium (T). I do.
The charged particle generator (61, # 1) is stopped, and the high-speed charged particle beam is stopped.
Next, the charged particle generator (61, # 0) is stopped.
The circulating low-speed charged particle beam is changed in deflection intensity of the ion flow bending device (68r, # 04) and sent to the ion neutralizer (70, # 0) to give electrons to neutralize the gas. (79, # 0) and shut down the furnace.
地球上に豊富にあるデューテリウム(D、重水素)やリチウム(Li)を最初の燃料として核融合反応を発生させ、電気エネルギーを得るとともに、安全な核融合燃料であるヘリウム3(3He)を生産し、あるいは、中性子(n)やトリチウム(T)を直ちに消滅させ、放射能の影響が少ない核融合発電、並びに、核融合エンジンを提供することができる。
Deuterium in abundance on the earth (D, deuterium) or lithium (Li) of the fusion reaction is generated as the first fuel, helium 3 with obtaining electrical energy, a secure fusion fuel (3 the He) Or a neutron (n) or tritium (T) is immediately annihilated to provide a fusion power generation and a fusion engine with less influence of radioactivity.
#00〜 図面毎の個別識別番号
ηf 核融合反応率 ηQ 熱効率 ηt トリチウム生成率 μ/μ0 比透磁率
ρ 密度 λe 平均自由行程 σ 核融合反応断面積 σn 中性子反応断面積
p 陽子(水素原子核) n 中性子 m/z 質量電荷比
D デューテリウム(重水素原子核) T トリチウム(三重水素原子核)
Li リチウム Be ベリリウム Pb 鉛 E 電気エネルギー K 運動エネルギー Q 熱エネルギー U 内部エネルギー
00 超高真空(10−8Pa) 10 中性子減速材(水等) 11 水素ガス(H2)
12 重水素ガス(D2、HD) 13 三重水素ガス(T2、HT、DT)
23 ヘリウム3ガス 24 ヘリウム4ガス
32 多面体(切頂二十面体等)
3He ヘリウム3(ヘリウム3原子核) 4He ヘリウム4(ヘリウム4原子核)
49 荷電粒子
49c 核融合生成荷電粒子 49f 最終核融合生成粒子(p、4He)
49n 未反応燃料粒子 49s 散乱粒子・帯電粒子・異原子核
50 荷電粒子ビーム衝突型核融合炉 50c トリチウム消滅連携型(連携炉)
50t トリチウム増倍型(増倍炉) 50T トリチウム増殖型(増殖炉)
50s 簡易型(簡易炉) 50h 熱変換型(熱変換炉)
51 核融合反応点 52 核融合反応領域 53 炉の中心
55 真空容器 56 荷電粒子収束器 56g 荷電粒子整流板
58 核融合炉容器 59 外壁
60 荷電粒子ビーム発生器
61 荷電粒子発生器
62 粒子加速器
63 電子レンズ
63c キャピラリー 63e 静電型電子レンズ 63m 磁界型電子レンズ
64 偏向器
64e 電界型偏向器 64m 磁界型偏向器
67 エネルギー変換器
67E 回生減速器 67l イオン周回減速器
67e 静電結合型回生減速器 67m 磁気結合型回生減速器
67d+、67d− 整流器 67R 抵抗体 67sw スイッチ
67Q 熱交換室
67a 除熱室 67b 中性子反射体 67c 中性子熱交換器
67j 接続管 67p 中性子遮蔽体 67s 中性子遮蔽室
67T トリチウム増殖室 67v 中性子調整室
68 イオン移送路 68c イオン回収路 68k キッカー
68x 荷電粒子分離器
68r イオン流屈曲器
68b 粒子回収器 68m 扇型磁場 68s 散乱粒子分離器
69 燃料粒子循環路
70 イオン中和器 70e 電子発生器 71 電極 71e 分圧電極 72 磁性体
73e 非球面グリッド電極 73m 磁界型電子レンズ
76 真空ポンプ 76h 高真空ポンプ
79 ガスボンベ 79m 水素吸蔵合金
80 核融合推進機 80j 核融合ジェットエンジン 81 核融合熱発電装置
82 水素分離器
82a 水素分離器(透過膜) 82b 水素分離器(水素吸蔵合金)
83a 集塵器 83b 除湿器 84 熱交換器 85 冷却器
86 タービン 87 加圧ポンプ 88 発電機 89 復水器
# 00 Individual identification number for each drawing η f Fusion reaction rate η Q Thermal efficiency η t Tritium production rate μ / μ 0 Specific permeability ρ Density λe Mean free path σ Fusion reaction cross section σ n Neutron reaction cross section p Proton (Hydrogen nucleus) n neutron m / z mass-to-charge ratio D deuterium (deuterium nucleus) T tritium (tritium nucleus)
Li Lithium Be Beryllium Pb Lead E Electric energy K Kinetic energy Q Thermal energy U Internal energy 00 Ultra high vacuum (10 −8 Pa) 10 Neutron moderator (water etc.) 11 Hydrogen gas (H 2 )
12 Deuterium gas (D 2 , HD) 13 Tritium gas (T 2 , HT, DT)
23 Helium 3 gas 24 Helium 4 gas
32 polyhedron (truncate icosahedron, etc.)
3 He helium 3 (helium 3 nucleus) 4 He helium 4 (helium 4 nucleus)
49 charged particles 49c fusion product charged particles 49f final fusion product particles (p, 4 He)
49n Unreacted fuel particles 49s Scattered particles, charged particles, and foreign nuclei 50 Charged particle beam collision-type fusion reactor 50c Tritium annihilation coordination type (coupling reactor)
50t tritium multiplication type (multiplier furnace) 50T tritium breeder type (breeder furnace)
50s Simple type (simple furnace) 50h Heat conversion type (heat conversion furnace)
51 Nuclear fusion reaction point 52 Fusion reaction area 53 Center of reactor
55 Vacuum container 56 Charged particle concentrator 56g Charged particle rectifier
58 fusion reactor vessel 59 outer wall 60 charged particle beam generator
61 charged particle generator
62 particle accelerator
63 electron lens 63c capillary 63e electrostatic electron lens 63m magnetic field electron lens 64 deflector
64e Electric field type deflector 64m Magnetic field type deflector 67 Energy converter 67E Regenerative decelerator 67l Ion circuit decelerator 67e Electrostatic coupling type regenerative decelerator 67m Magnetic coupling type regenerative decelerator 67d +, 67d- Rectifier 67R Resistor 67sw Switch 67Q Heat Exchange room 67a Heat removal room 67b Neutron reflector 67c Neutron heat exchanger 67j Connection tube 67p Neutron shield 67s Neutron shield room 67T Tritium breeding room 67v Neutron adjustment room
68 Ion transfer path 68c Ion recovery path 68k Kicker 68x Charged particle separator 68r Ion flow bending device 68b Particle recovery device 68m Fan magnetic field 68s Scattered particle separator 69 Fuel particle circulation path 70 Ion neutralizer 70e Electron generator 71 Electrode 71e Voltage dividing electrode 72 Magnetic body 73e Aspheric grid electrode 73m Magnetic field type electron lens 76 Vacuum pump 76h High vacuum pump 79 Gas cylinder 79m Hydrogen storage alloy 80 Fusion propulsion machine 80j Fusion jet engine 81 Fusion thermoelectric generator 82 Hydrogen separator 82a Hydrogen separator (permeable membrane) 82b Hydrogen separator (hydrogen storage alloy)
83a Dust collector 83b Dehumidifier 84 Heat exchanger 85 Cooler 86 Turbine 87 Pressurized pump 88 Generator 89 Condenser
荷電粒子ビーム衝突型核融合は、確実に核融合が発生することが知られている方式であるが、これまで研究用のみに使用されてきた方式であるので、動力用に構成可能か否かを検討する。
D−D反応では、衝突に500keVを要し、3.27MeV及び4.03MeVの運動エネルギー(K)が得られるから、投入した運動エネルギー(K)の平均7.3倍の運動エネルギー(K)を得ることができるが、粒子加速器の効率(η a )が5%以下である場合は、ブレークイーブンを達成することは出来ない。
最近開発された分散型加速器(特許文献3、特許文献4、非特許文献3)の加速効率(ηa)は、60%を得ているから、ブレークイーブンを達成することができる。
検討の結果、核融合炉の方式に、「核融合燃料粒子と核融合生成荷電粒子が分離可能な荷電粒子ビーム衝突型核融合」を選択する。
Charged particle beam collision-type fusion is a method that is known to reliably generate fusion, but since it has been used only for research so far, it can be configured for power. To consider.
In the DD reaction, the collision requires 500 keV and kinetic energies (K) of 3.27 MeV and 4.03 MeV are obtained. Therefore, the kinetic energy (K) is 7.3 times the average of the input kinetic energy (K). can be obtained, if the efficiency of particle acceleration instrument (eta a) is 5% or less, it is not possible to achieve a break-even.
The acceleration efficiency (η a ) of the recently developed distributed accelerators (Patent Literature 3, Patent Literature 4, Non-Patent Literature 3) is 60%, so that a break even can be achieved.
As a result of the study, we will select “Fusion charged particle beam collision type fusion that can separate fusion fuel particles and fusion generated charged particles” as the fusion reactor method.
粒子加速器(62)の内部で、荷電粒子ビームの一部が電極や加速器の金属部分と接触したときに、金属が溶解する事故に至ることがある。
荷電粒子の通路と電極との間に強靭なエンジニアリングセラミックスなどの絶縁容器を設け、事故を防止する。
散乱した荷電粒子が、絶縁容器の内側に触れて帯電を生じ、荷電粒子ビームの軌道に影響を及ぼすため、帯電を除去する必要がある。
このため、適度な導電性を持たせる、あるいは、荷電粒子を発射後、荷電粒子が無い状態で加速動作を行い、強い電界により帯電除去を行う。
Inside the particle accelerator (62), when a part of the charged particle beam comes into contact with an electrode or a metal part of the accelerator, an accident may occur that the metal is melted.
An insulating container made of strong engineering ceramics is provided between the charged particle passage and the electrode to prevent accidents.
The scattered charged particles come into contact with the inside of the insulating container to cause charging, which affects the trajectory of the charged particle beam. Therefore, it is necessary to remove the charging.
For this reason, after imparting appropriate conductivity, or after emitting charged particles, an acceleration operation is performed in the absence of charged particles, and charge is removed by a strong electric field.
<キャピラリー>
キャピラリー(63c)は、エンジニアリングセラミックスなど強靭な絶縁体で作製した一方を細く加工したテーパー状の管の構造を利用して、荷電粒子を収束するものである。
キャピラリー(63c)の内壁面に対して微小角度で入射した荷電粒子は、全反射するとともに、次第に狭くなる管の内径形状に従って荷電粒子が絞られ、電界型電子レンズ(63e)あるいは磁界型電子レンズ(63m)とは異なる原理で収束する。
2本以上のキャピラリー(63c)を同一の方向に向けて、近傍に並べて配置することができる。
<Capillary>
The capillary (63c) converges charged particles by using a tapered tube structure made of a tough insulator such as engineering ceramics and having one thinned portion.
The charged particles incident on the inner wall surface of the capillary (63c) at a small angle are totally reflected and the charged particles are squeezed according to the gradually narrowing inner diameter of the tube. (63m) converges on a different principle.
Two or more capillaries (63c) can be arranged side by side in the same direction.
荷電粒子は、キャピラリー(63c)の先端を出た後も個々の粒子の慣性により直進しようとするので、一定の距離において荷電粒子ビームを細く収束することができる。
キャピラリー(63c)の外側に電極を設け、パルス電圧をかけて、キャピラリー(63c)の内部に荷電粒子が残らないようにするとともに、無負荷状態でパルス電圧をかけて、除去動作を行う。
なお、キャピラリー(63c)による荷電粒子の収束は、単結晶または多結晶のエンジニアリングセラミックスなどの絶縁体キャピラリー(63c)の内面の帯電粒子によるガイディング効果とされるが、金属キャピラリーを構成する原子核による小角前方散乱によっても荷電粒子を収束することが可能であることが確認されている。(特許文献5)
Even after leaving the tip of the capillary (63c), the charged particles try to go straight due to the inertia of each particle, so that the charged particle beam can be narrowly converged at a certain distance.
An electrode is provided outside the capillary (63c), a pulse voltage is applied to prevent charged particles from remaining inside the capillary (63c), and a pulse voltage is applied with no load to perform the removal operation.
The convergence of the charged particles by the capillary (63c) is considered to be a guiding effect by charged particles on the inner surface of the insulator capillary (63c) such as a single crystal or polycrystalline engineering ceramics, but is due to the nuclei constituting the metal capillary. It has been confirmed that charged particles can be converged by small-angle forward scattering. (Patent Document 5)
3He−3He反応については、表4の計算表に掲げなかったが、核融合反応断面積(σ)が0.01barnsと小さく、十分な核融合反応率(ηf)を確保するために、荷電粒子の密度を1〜2桁高く設定する必要がある。
荷電粒子ビームの密度が高いと、核融合反応率(ηf)が格段に高くなるので、0.1μm〜0.3μmに収束させてビームの密度を10〜100倍高くすることが前提となる。
中性子(n)の発生率は、燃料粒子に含まれる異原子混入率の積であると考えて良いから、D粒子の混入率が10−9である場合、中性子(n)の発生率が10−18と極めて少ない、という優れた特徴を有する。
D− 3 He反応の核融合燃料の組み合わせを利用可能である場合は、個別には示さないが、 3 He− 3 He反応の核融合燃料の組み合わせも利用可能である。
Although the 3 He- 3 He reaction was not listed in the calculation table of Table 4, the fusion reaction cross-sectional area (σ) was as small as 0.01 barns, and in order to secure a sufficient fusion reaction rate (η f ). , It is necessary to set the density of charged particles higher by one to two orders of magnitude.
When the density of the charged particle beam is high, the nuclear fusion reaction rate (η f ) is significantly increased. Therefore, it is assumed that the beam density is converged to 0.1 μm to 0.3 μm to increase the beam density by 10 to 100 times. .
Since the neutron (n) generation rate can be considered to be the product of the heteroatom mixing rate contained in the fuel particles, if the D particle mixing rate is 10 −9 , the neutron (n) generation rate is 10%. It has an excellent feature that it is extremely small at -18 .
If available combinations of fusion fuel of D-3 He reaction is not separately shown, 3 He-3 combination of fusion fuel of He reaction is also available.
荷電粒子収束器(56)の核融合反応点(51)から遠い方の焦点付近の形状は、徐々に細くし、ゆるやかに荷電粒子を収束している。
基調とする楕円に修正を加えているので、中心部に入射する粒子の経路と比べて、周辺部に入射し反射する粒子の経路は、切頂20面体の場合では、およそ8.5%長くなる。
従って、粒子の到来方向に対して軸を傾けて設置することで、低速の粒子は短い経路を、高速の粒子は長い経路を経るように配置することが可能で、速度差により生じる到達時間差を補正することができる。
荷電粒子収束器(56)は、エンジニアリングセラミックスなどの強靭な絶縁体材料を用いて作成し、その外側には、帯電除去の電極(71、#1〜3)を設けて、プラスの高電圧を加えて、核融合生成荷電粒子(49c)の帯電を防止する。
中心側から外側の電極(71、#1から#3)に向けて順にパルス状に高電圧を加え、帯電した荷電粒子を除去する。
核融合生成荷電粒子(49c)の通過に伴って、電極(71)に電流が流れると、荷電粒子の運動エネルギー(K)が減少するので、誘導電流が流れにくい円周方向のすだれ状の電極形状にする。
The shape of the charged particle concentrator (56) near the focal point far from the fusion reaction point (51) is gradually narrowed, and the charged particles are gradually focused.
Since the base ellipse has been modified, the path of particles incident and reflected at the periphery is about 8.5% longer in the case of a truncated icosahedron than the path of particles incident at the center. Become.
Therefore, by setting the axis at an angle to the arrival direction of the particles, it is possible to arrange the low-speed particles so as to pass through a short path and the high-speed particles through a long path. Can be corrected.
The charged particle concentrator (56) is made of a tough insulator material such as engineering ceramics, and on the outside thereof, electrodes (71, # 1 to 3) for removing charge are provided to apply a positive high voltage. In addition, the fusion-produced charged particles (49c) are prevented from being charged.
A high voltage is applied in a pulsed manner from the center side to the outer electrodes (71, # 1 to # 3) in order to remove charged charged particles.
When a current flows through the electrode (71) with the passage of the fusion-produced charged particles (49c), the kinetic energy (K) of the charged particles is reduced. Shape.
表5(a) 質量電荷比(m/z)と回転半径の計算表
表5(a)に質量電荷比(m/z)と1テスラの磁界中における回転半径の計算表を示す。
トリチウム(T)とヘリウム3(3He)の磁界中の回転半径が異なるから、容易に分離できる。
核融合生成荷電粒子のトリチウム(T)と陽子(p)は、磁界中の回転半径が同一であるため、磁界だけでは分離することが難しいが、飛翔速度が違うから荷電粒子分離器(68x)に達するまでに速度差で分離している。
また、D−D反応とD−T反応を同時に行う場合は、ヘリウム4(4He)が加わり、2番目に飛翔してくるが、トリチウム(T)の回転半径とほぼ同一であるから、分離が難しい。
ヘリウム4(4He)が飛翔速度差で分離できるように、D−T反応をD−D反応の直前に発生させ、最初に飛翔してくる陽子(p)と2番目のヘリウム4(4He)に対して、外側の電極(71、#1)にマイナスの偏向電圧を加え、内側の電極(71、#2)にプラスの偏向電圧を加えて、外側に向けて陽子(p)とヘリウム4(4He)を加速して分離する。
表5(b)は、核融合反応点(51)から0.5μ秒後にヘリウム4( 4 He)が到達する半径を基準に、方向別に各核融合生成粒子の到達時刻を掲げたものである。
0.5μ秒後のヘリウム4( 4 He)の位置は、核融合反応点(51)よりおよそ1.7m下側を中心とする球殻状になるから、この位置に荷電粒子分離器(68x)の偏向磁界の中心を配置すると、0.4μSを境として磁界強度を弱から強に変化することで、どの方向の電荷質量分離器(68x)においても4種類の粒子を分離することが可能である。
陽子(p)とトリチウム(T)の到達時間差は、上方向(10°)と下方向(170°)とを比較すると、上方向の方が、およそ0.07μS程度陽子(p)が早く到達するから、電荷質量分離器(68x)までの飛翔距離を短縮し、炉の大きさを最適化(小型化)することができる。
表5(b)ヘリウム4( 4 He)を基準にした飛翔方向ごとの粒子(p, 4 He, 3 H, 3 He)の到達時間
なお、トリチウム(T)とヘリウム3( 3 He)は、到達時間差による分離は十分にできていないが、比軌道半径が大きく異なるので、電荷質量分離器(68x)の偏向磁界により分離することができる。
D−D反応を単独で行う場合は、0.5μSを基準に偏向磁界の強度を、弱から強に変えればよく、余裕が大きい。
D−D反応とD−T反応を同時に行う場合は、D−T反応をD−D反応より0.03μSから0.3μS先行させることによって、高速の燃料粒子同士の衝突を避けると共に、ヘリウム4( 4 He)の到達時刻を早め、核融合生成粒子のトリチウム(T)との分離を確実にすることができる。
粒子の分離精度を上げることができれば、0.5μSの基準を短くして、炉を更に小型化できる。
陽子(p)とヘリウム4( 4 He)は、偏向磁界により分離できるが、偏向磁界が弱いので、最も外側になる。どちらも廃棄する物質であるから、分離できなくても特に問題はない。
異なる分離方法として、核融合発生の0.2μ秒後から1.5μ秒後までの時間に、偏向磁界の強度を連続的におよそ2分の1まで下げる偏向磁界を用いることでも同様に核融合生成粒子を分離することができる。
分離順序は、外側からT、 4 He、p、 3 Heの順となる。
核種毎に速度の異なる粒子が含まれるが、早めに到達した速度の速い粒子は、少し強い偏向磁界を通過して、少し強く偏向されるので、荷電粒子の分離精度向上に利用できる。
Table 5 (a) Calculation table of mass-to-charge ratio (m / z) and radius of gyration
Table 5 (a) shows a calculation table of the mass-to-charge ratio (m / z) and the radius of gyration in a magnetic field of 1 Tesla.
Since the rotation radius of the magnetic field of tritium (T) and helium 3 (3 He) is different, it can be easily separated.
The tritium (T) and the proton (p) of the fusion-produced charged particles have the same radius of gyration in the magnetic field, so it is difficult to separate them by the magnetic field alone. Separating by the speed difference until reaching.
In the case of performing D-D reaction and D-T reactions simultaneously, helium 4 (4 He) is applied, come to fly to the second, but since it is almost the same as the rotation radius of tritium (T), separated Is difficult.
Helium 4 as (4 the He) can be separated at a flying speed difference, D-T reaction is generated immediately before the D-D reactions, first flight to come protons (p) and the second helium 4 (4 the He ), A negative deflection voltage is applied to the outer electrode (71, # 1), a positive deflection voltage is applied to the inner electrode (71, # 2), and the proton (p) and helium are directed outward. 4 ( 4 He) is accelerated and separated.
Table. 5 (b), based on the radius fusion reaction point (51) helium 4 (4 the He) after 0.5μ seconds to reach, in which set a arrival time of each fusion product particles by direction .
The position of helium 4 ( 4 He) after 0.5 μs becomes a spherical shell centering about 1.7 m below the fusion reaction point (51), so that the charged particle separator (68x ), The center of the deflection magnetic field is arranged, the magnetic field intensity changes from weak to strong at 0.4 μS as a boundary, so that four types of particles can be separated in the charge mass separator (68x) in any direction. It is.
The arrival time difference between the proton (p) and the tritium (T) is about 0.07 μS faster in the upward direction when comparing the upward direction (10 °) and the downward direction (170 °). Therefore, the flight distance to the charge-mass separator (68x) can be shortened, and the size of the furnace can be optimized (miniaturized).
Table 5 (b) helium 4 (4 He) particles per flying direction relative to the (p, 4 He, 3 H , 3 He) of the arrival time
Incidentally, tritium (T) and helium 3 (3 He) may be but not be sufficiently separation by arrival time difference, and the specific orbital radius is significantly different, separated by the deflection magnetic field of the charge mass separator (68X) it can.
When the DD reaction is performed alone, the intensity of the deflection magnetic field may be changed from weak to strong based on 0.5 μS, and the margin is large.
When the DD reaction and the DT reaction are performed simultaneously, the DT reaction is advanced by 0.03 μS to 0.3 μS before the DD reaction to avoid collision between high-speed fuel particles and to reduce helium 4 the arrival time (4 the He) early, it is possible to ensure the separation of tritium (T) of the fusion product particles.
If the particle separation accuracy can be improved, the standard of 0.5 μS can be shortened, and the furnace can be further reduced in size.
Protons (p) and helium 4 ( 4 He) can be separated by a deflecting magnetic field, but are located on the outermost side because the deflecting magnetic field is weak. Since both are discarded substances, there is no particular problem if they cannot be separated.
A different separation method is also possible by using a deflecting magnetic field that continuously lowers the intensity of the deflecting magnetic field by about half during the time from 0.2 μs to 1.5 μs after the onset of fusion. The resulting particles can be separated.
Separation order, an outer T, 4 the He, in the order of p, 3 the He.
Particles having different velocities are included for each nuclide, but particles that arrive at an earlier speed and pass through a slightly stronger deflecting magnetic field and are slightly more strongly deflected can be used to improve the separation accuracy of charged particles.
回生減速器(67E、#10)は、設置できる長さに制限があること、荷電粒子を減速しすぎると、到達時間差で分離した荷電粒子が混合する原因となることから、若干の減速を行った後に荷電粒子分離器(68x)による分離を行っている。
到達時間差により分離した核融合生成荷電粒子(49c)が、再度混合しない範囲で減速することで、荷電粒子分離器(68x)に要する偏向磁界・電界の強度を若干下げることができる。
質量電荷比(m/z)が小さい粒子ほど、減速の効果が大きく現れるから、磁界中の回転半径も異なってくる。
従って、回生減速器(67E)を通過させて減速し、磁界中における比軌道半径を変化した上で、荷電粒子分離器(68x)により分離する方法も有効である。
偏向磁界の強度を切り替えないで、核融合生成粒子(49c)を分離することができる。
The regenerative speed reducer (67E, # 10) has a limited length that can be installed, and if the charged particles are excessively decelerated, the charged particles separated by the arrival time difference may be mixed. After that, separation by a charged particle separator (68x) is performed.
The intensity of the deflecting magnetic field and electric field required for the charged particle separator (68x) can be slightly reduced by decelerating the fusion-produced charged particles (49c) separated by the arrival time difference in a range where they do not mix again.
Particles having a smaller mass-to-charge ratio (m / z) have a greater deceleration effect, and therefore have a different radius of gyration in a magnetic field.
Therefore, it is also effective to decelerate by passing through the regenerative speed reducer (67E), change the specific orbital radius in the magnetic field, and then separate by the charged particle separator (68x).
Fusion switching particles (49c) can be separated without switching the intensity of the deflection magnetic field.
荷電粒子分離器(68x)及び回生減速器(67E)が、中性子(n)が外部に漏れる経路となり得るので、核融合反応点(51)に対して、回生減速器(67E)の中心軸を外して取り付けるとともに、荷電粒子分離器(68x)の屈曲部分を中性子遮蔽室(67s)の中央部に配置することにより、中性子(n)が直線的に漏えいするのを防ぐ構造とすることができる。
D−3He反応を併せ行う場合は、核融合生成荷電粒子(49c)に14MeVの高速の陽子(p)が加わる。
除電された帯電粒子や荷電粒子ビームの衝突の際に生じた散乱粒子(49s)は、核融合生成荷電粒子(49c)より速度が遅いので、最も内側の回生減速器(67E、#15)に導かれる。
Since the charged particle separator (68x) and the regenerative moderator (67E) can be a path through which the neutrons (n) leak to the outside, the central axis of the regenerative moderator (67E) is moved relative to the fusion reaction point (51). By detaching and attaching, and by arranging the bent portion of the charged particle separator (68x) at the center of the neutron shielding chamber (67s), it is possible to prevent the neutron (n) from leaking linearly. .
When performing combined D-3 the He reaction, fast proton 14MeV to fusion product charged particles (49c) (p) is applied.
Since the speed of the scattered particles (49s) generated at the time of the collision of the charged particles or the charged particle beam having the static elimination is lower than that of the fusion-produced charged particles (49c), the innermost regenerative decelerator (67E, # 15) is used. Be guided.
<回生減速器>
荷電粒子の照射に耐える筒状の強靭なエンジニアリングセラミックスなどで作製し、外側に荷電粒子と電磁結合させる電極を形成し、荷電粒子の運動エネルギー(K)を直接電気エネルギー(E)に変換する。
<Regenerative reducer>
It is made of tough cylindrical engineering ceramics that can withstand the irradiation of charged particles. Electrodes that are electromagnetically coupled to the charged particles are formed on the outside, and the kinetic energy (K) of the charged particles is directly converted to electric energy (E).
表6 中性子線量計算表
表6は連携炉(50c)と簡易炉(50s)の中性子線量計算表である。
どちらも1〜4日で一般人の年間被爆許容量(1mSv/年)に達する。
図4に示す200MWのD−D及びD−T反応を行う連携炉(50c)では、それぞれ、14.6×1019個の2.45MeV及び14MeVの中性子(n)が発生し、半径20mの地点で、厚さ5mの水の層を透過する中性子(n)の実効線量は、係数を考慮して、1日当たり0.277mSvである。(この計算表では、全て14MeVの中性子(n)とした。水の厚さを6mとすると、一般人の年間被ばく許容量に抑えられるが、荷電粒子分離器(68x)、回生減速器(67E)などの収容部分の水の厚さが減少するから、5mとした。)
熱交換室(67Q)には貫通部分が多く、この中を透過する中性子(n)が存在する。
電荷質量分離器(68x)の偏向コイルの近傍は、中性子(n)レベルが高いので、半導体スイッチを配置できないから、寄生インダクタンス等が少ない配線を用いて、中性子(n)レベルの低い位置に半導体スイッチを配置する。
5mの厚みの水は、ほぼ3.2×10 −14 の減衰が期待できるから、荷電粒子収束器(56)等の開口部から離れた位置では、表面線量が1.1Bq/cm 2 程度になるので、半導体の設置が可能である。
稼働中は周辺に立ち入ることが出来ず、外側に厚さ1m以上の外壁(59)を設け、一般人の年間被ばく許容量以下になるよう、中性子(n)を遮蔽する。
軽量な中性子反射体(67b)を内蔵して中性子減速材(10)を減すとともに、低放射化フェライト鋼など強靭な構造材が必要であり、これらは、中性子遮蔽体・反射体として算入することができる。
また、発熱量が少ない外側の中性子遮蔽室(67s)の一部は、軽量な固体の中性子遮蔽体(67p)などに置き換えることができる。
Table 6 Neutron dose calculation table
Table 6 is a neutron dose calculation table of the cooperative reactor (50c) and the simple reactor (50s).
In both cases, the annual exposure limit (1 mSv / year) of ordinary people is reached in 1 to 4 days.
In the associated reactor (50c) for performing the DD and DT reactions of 200 MW shown in FIG. 4, 14.6 × 10 19 neutrons (n) of 2.45 MeV and 14 MeV are generated, and a 20 m radius of 20 m is generated. At the point, the effective dose of neutrons (n) permeating through a 5 m thick layer of water is 0.277 mSv / day, taking into account the coefficients. (In this calculation table, neutrons (n) are all 14 MeV. If the water thickness is 6 m, the annual exposure of ordinary people can be reduced, but the charged particle separator (68x) and the regenerative decelerator (67E) 5 m because the thickness of the water in the storage portion such as decreases.)
The heat exchange chamber (67Q) has many penetrating portions, and neutrons (n) penetrating therethrough exist.
Since the neutron (n) level is high in the vicinity of the deflection coil of the charge-mass separator (68x), a semiconductor switch cannot be arranged. Therefore, using a wiring with a small parasitic inductance or the like, a semiconductor is placed in a position with a low neutron (n) level. Place the switch.
Since the water having a thickness of 5 m can be expected to have an attenuation of about 3.2 × 10 −14 , the surface dose is reduced to about 1.1 Bq / cm 2 at a position apart from the opening such as the charged particle converging device (56). Therefore, it is possible to install a semiconductor.
During operation, it is not possible to enter the surrounding area, and an outer wall (59) with a thickness of 1 m or more is provided on the outside to shield neutrons (n) so that the annual exposure is below the allowable amount for ordinary people.
A light-weight neutron reflector (67b) is incorporated to reduce the neutron moderator (10), and a strong structural material such as low activation ferritic steel is required. These are included as neutron shields and reflectors. be able to.
Further, a part of the outer neutron shielding chamber (67s) having a small calorific value can be replaced with a light-weight solid neutron shielding body (67p) or the like.
核融合燃料のヘリウム3(3He)に、中性子(n)が反応すると、トリチウム(T)に変化するから、燃料の保存方法に注意が必要である。
3He+n→T+p+0.764MeV
簡易炉(50s)の中性子放出量は、核融合燃料の不純物の含有量に依存するから、十分に精製した核融合燃料を使用し、中性子(n)の照射を避けて保管するだけでなく、核融合燃料のヘリウム3(3He)を衝突させる直前に、イオン流屈曲器(68r)などにより屈曲する際に、質量電荷比(m/z)の相違により異原子核(49s、D粒子、T粒子など)を十分に取り除くことが重要である。
異原子核(49s、D粒子、T粒子など)を分離して除去する効果は大きく、異原子混入率を1000分の1にすれば、中性子減速材(10)の厚さ50cmの中性子遮蔽室(67s)を削減することができる。
移動体である場合は、炉の負荷率や稼働時間を考慮に入れることができる。
乗員、燃料タンクとの間に、中性子遮蔽効果の大きい材料で作製した遮蔽板を設ける方法もある。
When neutron (n) reacts with helium 3 ( 3 He) as a fusion fuel, it changes to tritium (T).
3 He + n → T + p + 0.764MeV
Since the amount of neutron emission from the simple reactor (50s) depends on the content of impurities in the fusion fuel, it is necessary to use a fusion fuel that has been sufficiently purified and store it while avoiding irradiation with neutrons (n). Immediately before colliding with helium 3 ( 3 He) as a fusion fuel, when it is bent by an ion flow bending device (68r) or the like, the different nuclei (49s, D particles, T It is important that particles (such as particles) are sufficiently removed.
The effect of separating and removing foreign nuclei (49 s, D particles, T particles, etc.) is great. If the mixing ratio of foreign atoms is made 1/1000, the neutron moderator (10) has a neutron shielding room (50 cm thick). 67s) can be reduced.
In the case of a moving body, the load factor and operating time of the furnace can be taken into account.
There is also a method of providing a shielding plate made of a material having a large neutron shielding effect between an occupant and a fuel tank.
図9(b)は、磁気閉じ込め型核融合炉のブランケットで用いられるリチウム(Li)ベリリウム(Be)を含む物質で満たしたトリチウム増殖室(67T)を加えた熱交換室(67Q)である。
トリチウム増殖室(67T)は、トリチウム増殖材であるリチウム化合物(LTZO20)と中性子増倍材であるベリリウム(Be)を充填し、上下のトリチウム増殖室(67T)を接続管(67j)で連結している。
1%前後の水素等ガス(11、12)を添加したヘリウム4ガス(24)を還流させて、中性子(n)の照射を受けて生成した粒子(D、T、4He、C)を回収する。
回収した高温のガスに含まれる熱エネルギー(Q)を回収し、熱による発電を行い、電気エネルギー(E)を得る。
回収した循環ガスは、ヘリウム4ガス(24)に対して、水素等ガス(11、12)が1%前後、三重水素ガス(13)が0.01%前後含まれ、炭素(C)並びにこれらの化合物、増殖材等の微粉末が混入している。
水素透過係数が大きいパラジウム合金膜(PdにAg、Pt、Au等を少量混ぜた合金)を用いた水素分離器(82a)を用いて水素等ガス(11、12、13)を濃縮する。
水素透過膜を用いた水素分離器(82a)を用いる方法の他、水素吸蔵能力の高いパラジウム合金などの水素吸蔵合金(79m)に水素等ガス(11、12、13)を吸蔵させ、加熱して放出させる水素分離器(82b)を用いて水素等ガスを濃縮する方法もある。
濃縮した水素等ガスを荷電粒子発生器(61)に送り、イオン化し、質量電荷比(m/z)によりトリチウム(T)のみを選択し、D−T反応によりトリチウム(T)を燃料として核融合反応させる。
回収ガスを液化して、沸点の違いを利用して分離する方法等も考えられる。
FIG. 9 (b) is the lithium to be used in magnetic confinement type blanket fusion reactor (Li), beryllium (Be) tritium breeding chamber filled with material comprising (67T) of the heat exchange chamber plus (67Q) .
The tritium breeding chamber (67T) is filled with a lithium compound (LTZO20) as a tritium breeding material and beryllium (Be) as a neutron multiplier, and the upper and lower tritium breeding chambers (67T) are connected by a connection pipe (67j). ing.
The helium 4 gas (24) to which a gas such as hydrogen (11, 12) of about 1% is added is refluxed to collect particles (D, T, 4He, C) generated by irradiation with neutrons (n). .
The thermal energy (Q) contained in the recovered high-temperature gas is recovered, power is generated by heat, and electric energy (E) is obtained.
The recovered circulating gas contains about 1% of a gas such as hydrogen (11, 12) and about 0.01% of a tritium gas (13) with respect to the helium 4 gas (24), and contains carbon (C) and these gases. Fine powder such as the compound and breeding material.
The gas such as hydrogen (11, 12, 13) is concentrated using a hydrogen separator (82a) using a palladium alloy membrane (an alloy in which Ag, Pt, Au, etc. are mixed in a small amount in Pd) having a large hydrogen permeability coefficient.
In addition to the method using a hydrogen separator (82a) using a hydrogen permeable membrane, a hydrogen storage alloy (79m) such as a palladium alloy having a high hydrogen storage capacity stores hydrogen and other gases (11, 12, 13) and heats. There is also a method of concentrating a gas such as hydrogen by using a hydrogen separator (82b) that releases hydrogen.
The concentrated gas such as hydrogen is sent to the charged particle generator (61), ionized, and only tritium (T) is selected based on the mass-to-charge ratio (m / z). Allow fusion reaction.
It is also conceivable to liquefy the recovered gas and separate it using the difference in boiling point.
<実施例1:簡易炉>
図10は、実施例1の簡易型(50s)の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉(50)の構成図である。
荷電粒子の衝突方式として、一方が、入手が容易なデューテリウム(D)の直径2μmの粒子数が多い低速の荷電粒子ビームと、他方がヘリウム3(3He)の直径1μmの粒子数が少ない高速の荷電粒子ビームを衝突させ、荷電粒子を無駄なく核融合反応させるように構成している。
低速用の荷電粒子ビーム発生器(60、#0)は、荷電粒子発生装置、(61、#0)、粒子加速器(62、#00、#01)、荷電粒子ビームを収束する電子レンズ(63)、及び、ビームの方向を調整する偏向器(64)で構成され、さらに、イオン回収路(68c)回生減速器(67E、#00)、イオン移送路(68)、及び、イオン流屈曲器(68r、#01〜#05)からなる、燃料粒子循環路(69、#0)を構成し、燃料粒子を再利用している。
高速用の荷電粒子ビーム発生器(60、#1)は、荷電粒子発生装置(61、#1)、粒子加速器(62、#11)、荷電粒子ビームを収束する電子レンズ(63)、ビームの方向を調整する偏向器(64)で構成している。
さらに、イオン回収路(68c)、回生減速器(67E、#00)により、高速と低速の荷電粒子の未反応燃料粒子を、1つの回収経路を用いて回収している。
<Example 1: Simple furnace>
FIG. 10 is a configuration diagram of the simplified (50 s) charged particle beam collision type fusion reactor (50) of the first embodiment.
As a charged particle collision method, one is a low-speed charged particle beam having a large number of 2 μm diameter particles of deuterium (D), which is easily available, and the other is a small number of 1 μm diameter particles of helium 3 ( 3 He). The system is configured to collide a high-speed charged particle beam to cause a fusion reaction of the charged particles without waste.
The low-speed charged particle beam generator (60, # 0) includes a charged particle generator (61, # 0), a particle accelerator (62, # 00, # 01 ), and an electron lens (63) for converging the charged particle beam. ) And a deflector (64) for adjusting the direction of the beam, and further, an ion recovery path (68c), a regenerative decelerator (67E, # 00), an ion transfer path (68), and an ion flow bending device. A fuel particle circulation path (69, # 0) composed of (68r , # 01 to # 05 ) is used to reuse the fuel particles.
A charged particle beam generator (60, # 1 ) for high speed includes a charged particle generator (61, # 1), a particle accelerator (62, # 11) , an electron lens (63) for converging a charged particle beam, and a beam. And a deflector (64) for adjusting the direction of .
Further, the high-speed and low-speed unreacted fuel particles of the charged particles are recovered by using one recovery path by the ion recovery path (68c) and the regenerative speed reducer (67E, # 00).
<実施例2:熱変換炉>
図11は、実施例2の熱変換型(50h)の荷電粒子ビーム衝突核融合炉(50)の説明図である。
荷電粒子の衝突方式として、簡易炉(50s)と同様、一方が、入手が容易なデューテリウム(D)の直径2μmの粒子数が多い低速の荷電粒子ビームと、他方がヘリウム3(3He)の直径1μmの粒子数が少ない高速の荷電粒子ビームを衝突させ、荷電粒子を無駄なく核融合反応させるように構成している。
図11(a)は縦断面図で、全体形状が円錐台形であり、(b)は、横断面図で、右に回転する放射状の楕円面を基調とした反射面を形成する荷電粒子収束器(56、#1〜10)と、その周囲に設けた一条ネジの溝で構成するイオン周回減速器(67l)とを形成している。
核融合反応領域(52)で生成した核融合生成荷電粒子(49c)は、荷電粒子収束器(56、#1〜10)の一方の面で反射し、各々の荷電粒子バンチが周囲に設けたイオン周回減速器(67l)に導かれ、図11(b)の右方向に回転する。
荷電粒子整流板(56g、鎖線で示す。)を荷電粒子収束器(56)の内部に配置して、軸に近い方向に飛翔した荷電粒子をイオン周回減速器(67l)に導いている。(荷電粒子整流板(56g)は、熱交換室(67Q)には存在しない。)
<Example 2: Heat conversion furnace>
FIG. 11 is an explanatory view of a heat conversion type (50h) charged particle beam collision fusion reactor (50) of the second embodiment.
As a collision type of charged particle, a simple furnace (50s) and similar, one of the charged particle beam slow often the number of particles diameter 2μm of readily available deuterium (D), the other is helium 3 (3 He) A high-speed charged particle beam having a small number of particles having a diameter of 1 μm is caused to collide, and the charged particles undergo a fusion reaction without waste.
FIG. 11 (a) is a longitudinal sectional view, and the whole shape is a truncated cone. FIG. 11 (b) is a transverse sectional view, and a charged particle concentrator forming a reflection surface based on a radially elliptical surface rotating to the right. (56, # 1 to 10) and an ion orbiting speed reducer (67l) formed of a single thread groove provided therearound.
The fusion-produced charged particles (49c) generated in the fusion reaction region (52) are reflected on one surface of the charged particle converger (56, # 1 to 10), and each charged particle bunch is provided around. It is led to the ion orbital decelerator (67l) and rotates rightward in FIG. 11 (b).
A charged particle rectifier (56 g, shown by a dashed line) is disposed inside the charged particle concentrator (56), and the charged particles flying in a direction close to the axis are guided to the ion circulation speed reducer (67l). (The charged particle rectifying plate (56g) does not exist in the heat exchange chamber (67Q).)
<実施例3:連携炉>
図12(a)は、実施例3のトリチウム消滅連携型(50c、D−D、D−T反応炉)の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉(50)の構成図である。
荷電粒子の衝突方式として、一方が、入手が容易なデューテリウム(D)の直径2μmの粒子数が多い低速の荷電粒子ビームと、他方がデューテリウム(D)とトリチウム(T)の2種類の直径1μmの粒子数が少ない高速の荷電粒子ビームを衝突させ、荷電粒子を無駄なく核融合反応させるように構成している。
低速用の荷電粒子ビーム発生器(60、#00)は、荷電粒子発生装置(61、#0)、粒子加速器(62、#0、#00)、荷電粒子ビームを収束する電子レンズ(63)、及び、ビームの方向を調整する偏向器(64)で構成され、
さらに、イオン回収路(68c)及び回生減速器(67E、#0)、並びに、イオン移送路(68)、イオン流屈曲器(68r)で構成する燃料粒子循環路(69、#00)を構成し、低速の未反応燃料粒子(49n)であるデューテリウム(D)を再利用している。
<Example 3: Cooperating furnace>
Figure 12 (a) is a block diagram of a tritium disappearance Federated Example 3 (50c, D-D, D-T reactor) charged particle beam collision type fusion reactor (50).
As the collision method of charged particles, one is a deuterium (D), which is easily available, and is a low-speed charged particle beam having a large number of particles having a diameter of 2 μm, and the other is a deuterium (D) and tritium (T). A high-speed charged particle beam having a small number of particles having a diameter of 1 μm is caused to collide with each other so that the charged particles undergo a nuclear fusion reaction without waste.
The low-speed charged particle beam generator (60, # 00) includes a charged particle generator (61, # 0), a particle accelerator (62, # 0, # 00), and an electron lens (63) for converging the charged particle beam. And a deflector (64) for adjusting the direction of the beam,
Furthermore, an ion recovery path (68c) and a regenerative speed reducer (67E, # 0), an ion transfer path (68), and a fuel particle circulation path (69, # 00) composed of an ion flow bending device (68r) are configured. Then, deuterium (D), which is a low-speed unreacted fuel particle (49n), is reused.
高速用の荷電粒子ビーム発生器(60、#01)は、荷電粒子発生装置(61、#0)、粒子加速器(62、#0、#01)、荷電粒子ビームを収束する電子レンズ(63)、ビームの方向を調整する偏向器(64)で構成され、さらにイオン移送路(68)及びイオン流屈曲器(68r)で構成する燃料粒子循環路(69、#01)を構成し、高速の未反応粒子(49n)であるデューテリウム(D)を再利用している。
連携炉(50c)は、入手が容易なデューテリウム(D)を最初の核融合燃料として低速ビームと高速ビームに使用する。
他の1つの高速用の荷電粒子ビーム発生器(60、#1)は、粒子加速器(62、#11)、荷電粒子ビームを収束する電子レンズ(63)、ビームの方向を調整する偏向器(64)で構成され、D−D反応で生じたトリチウム(T)を荷電粒子分離器(68x)、回生減速器(67E、#14〜324)により分離・減速し、荷電粒子のままで循環している。
なお、図には示していないが、回生減速器(67E)に抵抗体(67R)を付加して熱変換型に出来る他、荷電粒子分離器(68x)の後ろの回生減速器(67E)は、円環状に接続する、イオン周回減速器(67l)に置き換えることなどが可能であり、複数の荷電粒子分離器(68x)の内、核種毎に共用する構成とすることもできる。
A charged particle beam generator (60, # 01) for high speed includes a charged particle generator (61, # 0), a particle accelerator (62, # 0, # 01), and an electron lens (63) for converging a charged particle beam. , A deflector (64) for adjusting the beam direction, and a fuel particle circulation path (69, # 01) composed of an ion transfer path (68) and an ion flow bending unit (68r). Deuterium (D), which is an unreacted particle (49n), is reused.
The associated reactor (50c) uses deuterium (D), which is readily available, as the first fusion fuel for the low and high speed beams.
Another high-speed charged particle beam generator (60, # 1) includes a particle accelerator (62, # 11), an electron lens (63) for converging a charged particle beam, and a deflector (60) for adjusting the beam direction. 64), the tritium (T) generated by the DD reaction is separated and decelerated by a charged particle separator (68x) and a regenerative speed reducer (67E, # 14 to 324), and circulated as charged particles. ing.
Although not shown, a regenerative reducer (67E) can be added to the resistor (67R) to make it a heat conversion type, and a regenerative reducer (67E) behind the charged particle separator (68x) is It can be replaced with an ion orbital decelerator (67l) that is connected in an annular shape, and can be configured to be commonly used for each nuclide among a plurality of charged particle separators (68x).
荷電粒子発生装置(61、#0)に重水素ガス(12)を送ってイオン化し、粒子加速器(62、#0)に送り、イオン移送路(68)及びイオン流屈曲器(68r)から成る燃料粒子循環路(69、#00、#01)に送り出している。
粒子加速器(62)の長さは、数十メートル以上あるのが一般的であるが、図12(a)のイオン移送路(68)及び粒子加速器(62)は、長さを縮めて描いている。
イオン移送路(68)の長さは、核融合発生周期(1/f)、粒子加速器(62)の通過時間などを考慮して決定する。
The deuterium gas (12) is sent to the charged particle generator (61, # 0) to be ionized, sent to the particle accelerator (62, # 0), and includes an ion transfer path (68) and an ion flow bending device (68r). The fuel is sent to the fuel particle circulation path (69, # 00, # 01).
The length of the particle accelerator (62) is of more than several tens of meters is common, the ion transfer path of FIG. 12 (a) (68) and particle accelerator (62) is drawn shorten the length I have.
The length of the ion transfer path (68) is determined in consideration of the nuclear fusion generation cycle (1 / f), the transit time of the particle accelerator (62), and the like.
トリチウム(T)は、専用のイオン移送路(68)及びイオン流屈曲器(68r、#11〜13)から構成する核融合燃料粒子循環路(69、#1)を経由して、荷電粒子のままで、粒子加速器(62、#11、T)に輸送し、100keVまで加速し、高速のD粒子が衝突する直前に、低速のD粒子に衝突するように発射する。
図12(a)には、トリチウム(T)専用の核融合燃料粒子循環路(69、#1)を1本のみ描いているが、多面体(32)の面数と同数の荷電粒子収束器(56、#1〜32)があり、多数のイオン流屈曲器(68r)及びイオン移送路(68)を組み合わせて、1本の荷電粒子流に合流させて、粒子加速器(62、#11、T)に輸送する。
Tritium (T) passes through the fusion fuel particle circulation path (69, # 1) composed of a dedicated ion transfer path (68) and an ion flow bending device (68r, # 11 to 13), and the charged particles are discharged. As it is, it is transported to the particle accelerator (62, # 11, T), accelerated to 100 keV, and fired so as to collide with the low-speed D particles just before the high-speed D particles collide.
FIG. 12 (a) shows only one fusion fuel particle circulation path (69, # 1) dedicated to tritium (T), but the number of charged particle concentrators (the same as the number of faces of the polyhedron (32)) is shown. 56, # 1 to 32), a large number of ion flow bending devices (68r) and an ion transfer path (68) are combined to form a single charged particle flow, and the particle accelerator (62, # 11, T ) To transport.
核融合せずに核融合反応領域(52)を通過した未反応燃料粒子(49n)は、表4に示したようにD粒子の核融合反応率(ηf)が低いから、高速粒子、低速粒子共に循環して再利用する。
核融合炉容器(58)の下部に設けたイオン回収路(68c)から未反応燃料粒子(49n)を回収し、再利用する。
低速ビームの未反応燃料粒子(49n、D)は、イオン流屈曲器(68r)及びイオン移送路(68)により構成したデューテリウム(D)用の燃料粒子循環路(69、#00、#01)を経由し、荷電粒子発生装置(61、#0)と粒子加速器(62、#0)からデューテリウム(D)を加えて、低速用の粒子加速器(62、#00)へ送られ、再利用する。
高速ビームの未反応燃料粒子(49n、D)は、回生減速器(67E、#0)で減速して、高速用の粒子加速器(62、#01)へ循環し再利用する。
The unreacted fuel particles (49n) that have passed through the fusion reaction region (52) without performing fusion, as shown in Table 4, have a low fusion reaction rate (η f ) of D particles, so The particles are circulated and reused.
The unreacted fuel particles (49n) are recovered from the ion recovery path (68c) provided at the lower part of the fusion reactor vessel (58) and reused.
The unreacted fuel particles (49n, D) of the low-speed beam are supplied to the fuel particle circulation path (69, # 00, # 01) for the deuterium (D) constituted by the ion flow bending device (68r) and the ion transfer path (68). ) via a charged particle generator (61, # 0) and the particle accelerator (62, # 0) or La Defense Yuteriumu (D) adding, particle accelerators (62 for low speed, is sent to # 00), Reuse.
The unreacted fuel particles (49n, D) of the high-speed beam are decelerated by the regenerative speed reducer (67E, # 0), circulated to the high-speed particle accelerator (62, # 01) and reused.
イオン回収路(68c)には、図には示していないが、環状に配置した複数の電極に生じる電圧、電圧の偏差、時刻から、荷電粒子ビームの粒子の量、到達位置、時刻を検出するセンサーを備えて、衝突状態の把握に必要なデータを取得している。
荷電粒子収束器(56)に真空容器(55)としての役割を与え、その周囲の除熱室(67a)にヘリウム4ガス(24)を循環するなどして、機器の冷却と熱回収を行う。
Although not shown in the figure, the amount, the arrival position, and the time of the charged particle beam are detected from the voltages, the voltage deviations, and the times generated in the plurality of annularly arranged electrodes in the ion collection path (68c). Equipped with a sensor, it acquires data necessary for grasping the collision state.
The charged particle concentrator (56) is given a role as a vacuum vessel (5 5 ), and circulates helium 4 gas (24) to the surrounding heat removal chamber (67a) to cool the equipment and recover heat. Do.
<イオン流屈曲器>
図13(a)は、図12に対応する、2つの扇型磁場(68m、#03、#08)により構成したイオン流屈曲器(68r、#03、#08)とイオン中和器(70)の説明図である。
イオン流屈曲器(68r)は、扇型磁場(68m)、扇型電場(68e)あるいは、両方を用いて、移送する核種の荷電粒子の流れを、任意の方向に屈曲させることができるが、本願では扇型磁場(68m)を使用するものとして説明する。
表7は、燃料粒子の速度に対する、1テスラの磁界中における回転半径の計算表である。
イオン流屈曲器(68r)は、移送する核種の荷電粒子の流れを、扇型の磁界により屈曲させる。
図10〜15に描くイオン流屈曲器(68r)の基本となる屈曲角度は、全て90°の図を例示しているが、これは説明のための平面図の都合によるものであり、実際には、立体的な配置の都合により基本となる屈曲角度を設計する。
移送目的外の核種の粒子及び異なる速度の粒子は、基本となる屈曲角度と異なる角度で打ち出されるので、荷電粒子流の精製を合わせて行うことができる。
表7 燃料粒子の磁界中の回転半径計算表
<Ion flow bending device>
FIG. 13A shows an ion flow bending device (68 r, # 03, # 08) and an ion neutralizer (70) corresponding to FIG. 12 and configured by two fan-shaped magnetic fields (68 m, # 03, # 08). FIG.
The ion flow bending device (68r) can bend the flow of the charged nuclide particles in any direction using a sector magnetic field (68m), a sector electric field (68e), or both. In this application, a fan-shaped magnetic field (68 m) will be described.
Table 7 is a calculation table of the radius of gyration in a magnetic field of 1 Tesla with respect to the velocity of the fuel particles.
The ion flow bending device (68r) bends the flow of charged nuclide particles by a fan-shaped magnetic field.
The basic bending angles of the ion flow bending device (68r) shown in FIGS. 10 to 15 are all illustrated as 90 °, but this is due to the convenience of the plan view for explanation, and actually Designs the basic bending angle depending on the three-dimensional arrangement.
The nuclide particles and the particles having different velocities, which are not transported, are ejected at an angle different from the basic bending angle, so that the charged particle stream can be purified together.
Table 7 Calculation table of radius of gyration of fuel particles in magnetic field
イオン流屈曲器(68r)及びイオン中和器(70)は、エンジニアリングセラミックスなどの絶縁材料で構成し、荷電粒子が電極に接触することによる事故を防いでいる。
絶縁材料の外面には、図には示していないが、磁極面にも電極(71)を設けている。
荷電粒子が入って来ない時間帯に、これらの電極(71)にパルス状の高電圧を加えて、帯電した荷電粒子を除去する。
The ion flow bending device (68r) and the ion neutralizer (70) are made of an insulating material such as engineering ceramics, and prevent an accident due to contact of charged particles with the electrode.
Although not shown in the drawing, an electrode (71) is provided on the outer surface of the insulating material, also on the pole face.
In a time zone where charged particles do not enter, a pulsed high voltage is applied to these electrodes (71) to remove charged charged particles.
トリチウム(T)は、通常の運用状態ではほぼ完全に消滅するが、荷電粒子ビームが衝突せずに外れた場合は、大量のトリチウム(T、約0.365μg/banch)が循環するから、デューテリウム(D)とは異なる角度に曲げられ、図13(a)に示すイオン流屈曲器(68r、#08)のイオン移送路(68、#2)ではなく、イオン移送路(68、#3)に分離される。
図12(a)で示せば、トリチウム(T)は、イオン流屈曲器(68r、#08)からイオン流屈曲器(68r、#15・・#17)及び回生減速器(67E、#10)を経て、粒子加速器(62、#11)に送り、再度、消滅を行う。
Tritium (T) is in a normal operation state disappears almost completely, if the charged particle beam is out without colliding, a large amount of tritium (T, about 0.365μg / banch) from circulates, Deyute It is bent at an angle different from that of the lithium (D), and is not the ion transfer path (68, # 2) of the ion flow bending device (68r, # 08) shown in FIG. ).
As shown in FIG. 12A, tritium (T) is supplied from the ion flow bending device (68r, # 08) to the ion flow bending device (68r, # 15... # 17) and the regenerative speed reducer (67E, # 10). through, feeding the particle accelerator (62, # 11), again, perform the disappearance.
<トリチウムガス>
連携型(50c)の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉(50)は、ガス化した状態で回収されたトリチウム(T)などの処分方法を確保するため、図12(a)に示すとおり、荷電粒子発生器(61、#1)及び、粒子加速器(62、#10)を備える構成としている。(図10の簡易炉では、核融合生成粒子の分離を行わない構成であるからこれらを備えていない。)
図12(a)の連携炉のガスボンベ(79、#0)に回収したガスは、荷電粒子発生器(61、#1)により荷電粒子にして、粒子加速器(62、#10)で加速し、イオン流屈曲器(68r、#18)でトリチウム(T)のみを選択し、粒子加速器(62、#11、T)に送り込んで、トリチウム(T)の消滅を行う。
<Tritium gas>
As shown in FIG. 12 (a) , the associative (50c) charged particle beam collision-type fusion reactor (50) secures a disposal method for tritium (T) and the like recovered in a gasified state. It is configured to include a charged particle generator (61, # 1) and a particle accelerator (62, # 10). (The simple furnace of FIG. 10 is not provided because it does not separate the fusion-producing particles .)
The gas collected in the gas cylinder (79, # 0 ) of the cooperative furnace shown in FIG. 12 (a) is converted into charged particles by the charged particle generator (61, # 1), and accelerated by the particle accelerator (62, # 10). Only tritium (T) is selected by the ion flow bending device (68r, # 18) and sent to the particle accelerator (62, # 11, T) to extinguish the tritium (T).
その他の粒子(D、3He、4He)は、イオン流屈曲器(68r、#18)からイオン中和器(70、#1、#2、#4)でガスに戻して、ガスボンベ(79、#1、#2、#4)に送る。
イオン流屈曲器(68r、#18)は、核種毎に分離する点で、荷電粒子分離器(68x)とほぼ同等である。
イオン流屈曲器(68r、#18)では、吸蔵ガス粒子などが分離されるから、イオン中和器(70、#3)を経由し、ガスボンベ(79、#3)に回収する。
Other particles (D, 3 the He, 4 the He) is ion flow bending device (68r, # 18) ion neutralizer from (70, # 1, # 2, # 4) back to the gas, the gas cylinder (79 , # 1, # 2, # 4).
The ion flow bending device (68r, # 18) is substantially the same as the charged particle separator (68x) in that it separates each nuclide.
In the ion flow bending device (68r, # 18), occluded gas particles and the like are separated, and are collected in the gas cylinders (79, # 3) via the ion neutralizer (70, # 3).
<中性子減速材の循環>
図12(b)は、実施例3のトリチウム消滅連携型(50c)の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉(50)の中性子減速材(10)の循環を示す。
中性子遮蔽室(67s)を下から上まで循環し中性子(n)の遮蔽を行った常圧の中性子減速材(10)は、加圧ポンプ(87)で加圧し、内側最下部の中性子熱変換器(67c)に送られる。
複数の中性子熱変換器(67c)を下から上に向かって循環し、強い中性子(n)の照射を受けて熱せられる。
高温になった中性子減速材(10)は、上部の中性子熱変換器(67c)から取り出し、タービン(86)を回して発電機(88)を駆動し、電力を得る。
<Circulation of neutron moderator>
Figure 1 2 (b) shows the circulation of the neutron moderating material (10) of the charged particle beam collision type fusion reactor tritium disappearance Federated Example 3 (50c) (50).
The neutron moderator (10) circulating from the bottom to the top in the neutron shielding chamber (67s) and shielding the neutrons (n) is pressurized by the pressurizing pump (87), and the neutron heat conversion at the innermost lowermost part To the vessel (67c).
The plurality of neutron heat converters (67c) circulate from bottom to top, and are heated by irradiation of strong neutrons (n).
The heated neutron moderator (10) is taken out of the upper neutron heat converter (67c), and the turbine (86) is turned to drive the generator (88) to obtain electric power.
中性子(n)の影響を受けにくいヘリウム4ガス(24)を、除熱室(67a)に送り、高温となったヘリウムガス(24)による中性子減速材(10)の再加熱を、タービン(86)内で行っている。
中性子減速材(10)は、復水器(89)で冷却した後、再度中性子遮蔽室(67s)の下部に戻し、循環している。
中性子熱変換器(67c)の中性子(n)の照射を受ける個所には、十分な強度があり、中性子反応断面積(σn)が小さく放射化しにくいエンジニアリングセラミックスなどの強靭な材料で構成する。
中性子減速材(10)として、水を使用するが、中性子(n)を吸収して、デューテリウム(D)に変化するので、定期的に外部に取り出して、デューテリウム(D)を抽出する。
The helium 4 gas (24), which is hardly affected by the neutrons (n), is sent to the heat removal chamber (67a), and the neutron moderator (10) is re-heated by the hot helium gas (24). ) Within.
After being cooled by the condenser (89), the neutron moderator (10) returns to the lower part of the neutron shielding chamber (67s) again and circulates.
The neutron heat converter (67c) is irradiated with the neutrons (n) at a location where the neutrons are irradiated with neutrons (n), which is made of a tough material such as engineering ceramics having a sufficient strength and a small neutron reaction cross section (σn) which is hardly activated.
Although water is used as the neutron moderator (10), it absorbs neutrons (n) and changes into deuterium (D), so it is periodically taken out to extract deuterium (D).
<実施例4:トリチウム増倍炉>
図14(a)は、実施例4のトリチウム増倍型(50t)の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉(50)の構成図である。
荷電粒子の衝突方式として、一方が、入手が容易なデューテリウム(D)の直径2μmの粒子数が多い低速の荷電粒子ビームと、他方がデューテリウム(D)とトリチウム(T)の2種類の直径1μmの粒子数が少ない高速の荷電粒子ビームを衝突させる実施例3のトリチウム消滅連携炉(50c)と同じ構成をしている。
中性子熱交換器(67c)をトリチウム増殖室(67T)に変更するとともに、増殖したトリチウム(T)の回収路を設けたほかは、トリチウム消滅連携炉(50c)とトリチウム増倍炉(50t)の構成は同じであるから、重複する説明は省略する。
トリチウム増殖室(67T)は、粒状に加工したトリチウム増殖材(LTZO20)で満たした、トリチウム増殖率(ηt)が1以下のトリチウム増殖室(67T)である。
中性子増倍材であるベリリウム(Be)を加えて、トリチウム増殖率(ηt)を調整する。
中性子(n)の照射を受け、トリチウム増殖室(67T)にトリチウム(T)、ヘリウム4(4He)などを生成する。
<Example 4: Tritium multiplier>
Figure 14 (a) is a configuration diagram of a charged particle beam collision突型fusion reactor tritium multiplying Example 4 (50t) (50).
As the charged particle collision method, one is a deuterium (D), which is easily available, and is a slow charged particle beam having a large number of particles having a diameter of 2 μm, and the other is a deuterium (D) and tritium (T). It has the same configuration as the tritium annihilation cooperative reactor (50c) of the third embodiment in which a high-speed charged particle beam having a small number of particles having a diameter of 1 μm is collided.
In addition to changing the neutron heat exchanger (67c) to a tritium breeding chamber (67T) and providing a recovery path for breeding tritium (T), a tritium annihilation cooperative reactor (50c) and a tritium multiplier (50t) Since the configuration is the same, duplicate description will be omitted.
The tritium breeding chamber (67T) is a tritium breeding chamber (67T) filled with granular tritium breeding material (LTZO20) and having a tritium breeding rate (ηt ) of 1 or less.
Beryllium (Be), a neutron multiplier, is added to adjust the tritium growth rate (ηt).
Irradiated with neutrons (n), tritium breeding chamber (67T) tritium (T), to produce a like helium 4 (4 He).
図14(b)は、トリチウム増殖室(67T)で生成したトリチウム(T)を回収する循環路を示している。
トリチウム増殖室(67T)は、上下のトリチウム増殖室(67T)を連結し、ガスボンベ(79、#4)から重水素ガス(12)を1%添加したヘリウム4ガス(24)を還流させて、中性子(n)の照射を受けて発生するトリチウム(T)を、水素ガス(HT、DTなど)の形態で回収する。
集塵器(83a)をとおして回収した高温のガスに含まれる熱エネルギー(Q)を熱交換器(84)で回収し、タービン(86)、発電機(88)により発電を行い、電気エネルギー(E)を得る。
水素透過膜を用いた水素分離器(82a)は、300℃〜400℃で最も活性度が高まるから、熱交換器(84)から水素透過膜を用いた水素分離器(82a)を経由して再び熱交換器(84)に戻す経路を形成している。
水素分離器(82a)で水素を回収し、除湿器(83b)で液化した水分(HTOなども含まれるので、図には示していないが処理が必要である。)、化合物等を取り除き、加圧ポンプ(87)で加圧して、ガスを再び循環させている。
水素透過膜を用いた水素分離器(82a)により濃縮した三重水素を含む水素ガス(HT、DT等)は、ガスボンベ(79、#0)に回収する。
FIG. 14B shows a circulation path for collecting tritium (T) generated in the tritium breeding chamber (67T).
The tritium breeding chamber (67T) connects the upper and lower tritium breeding chambers (67T), and refluxes a helium 4 gas (24) to which 1% deuterium gas (12) is added from a gas cylinder (79, # 4). Tritium (T) generated by neutron (n) irradiation is recovered in the form of hydrogen gas (HT, DT, etc.).
The heat energy (Q) contained in the high-temperature gas collected through the dust collector (83a) is collected by the heat exchanger (84), and the electric power is generated by the turbine (86) and the generator (88). (E) is obtained.
The hydrogen separator (82a) using the hydrogen permeable membrane has the highest activity at 300 ° C to 400 ° C. Therefore, the hydrogen separator (82a) uses the hydrogen separator (82a) using the hydrogen permeable membrane from the heat exchanger (84). A path for returning to the heat exchanger (84) is formed.
The hydrogen is recovered by the hydrogen separator (82a), and the water liquefied by the dehumidifier (83b) (including HTO, etc., is not shown in the figure, but requires treatment), and the compounds are removed. The gas is circulated again by pressurizing with the pressure pump (87).
The hydrogen gas (HT, DT, etc.) containing tritium concentrated by the hydrogen separator (82a) using the hydrogen permeable membrane is collected in a gas cylinder (79, # 0).
<実施例5 トリチウム増殖炉>
図15は、実施例5のトリチウム増殖型(50T)の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉(50)の構成図である。
荷電粒子の衝突方式として、一方が、入手が容易なデューテリウム(D)の直径2μmの粒子数が多い低速の荷電粒子ビームと、他方がトリチウム(T)の直径1μmの粒子数が少ない高速の荷電粒子ビームを衝突させる構成としている。
実施例5は、トリチウム増殖率(ηt)が1以上のトリチウム増殖室(67T)、及び、中性子調整室(67v)を備える構成としたものである。
D−T反応のみを用いる構成の場合、実施例4の増倍炉(50t)と比較して、高速のD粒子の燃料粒子循環路(69、#01)、荷電粒子分離器(68x)などを取り除いた、簡略化した構成とすることができる特徴がある。
また、図には示していないが、実施例2に示すような全体形状が星形断面形状の荷電粒子収束器(56)、及び、イオン周回減速器(67l)を選択することも可能である。
未反応燃料粒子(49n)のトリチウム(T)専用の回収路も省略し、イオン流屈曲器(68r、#04)、イオン中和器(70、#0)を経由し、ガスボンベ(79、#0)に回収する構成としている。
_
<Example 5 Tritium breeding reactor>
FIG. 15 is a configuration diagram of a tritium breeding (50T) charged particle beam collision type fusion reactor (50) of the fifth embodiment.
As a collision method of charged particles, one is a deuterium (D), which is easily available, a low-speed charged particle beam having a large number of 2 μm particles, and the other is a tritium (T), a high-speed charged particle beam having a small number of 1 μm particles. It is configured to collide with a charged particle beam.
In the fifth embodiment, a tritium breeding chamber (67T) having a tritium breeding rate (ηt) of 1 or more and a neutron conditioning chamber (67v) are provided.
In the case of the configuration using only the DT reaction, the fuel particle circulation path (69, # 01) of the D particles, the charged particle separator (68x), and the like are faster than the multiplier (50t) of the fourth embodiment. taken was divided, there is a feature that can be simplified structure.
Although not shown in the figure, it is also possible to select a charged particle concentrator (56) and an ion orbital decelerator (67l) having a star-shaped cross section as shown in Example 2. .
The recovery path dedicated to tritium (T) for the unreacted fuel particles (49n) is also omitted, and the gas cylinders (79, # 0) are passed through the ion flow bending device (68r, # 04) and the ion neutralizer (70, # 0). 0).
_
ガスボンベ(79、#0)に回収したガスは、荷電粒子発生器(61、#1)に送ってイオン化し、イオン流屈曲器(68r、#10)によりトリチウム(T)のみを選択し、粒子加速器(62、#11、T)に送っている。
イオン流屈曲器(68r、#10)によりトリチウム(T)以外の物質が分離されるので、イオン中和器(70、#1)によりガス(主にH2、HD、D2)に戻し、ガスボンベ(79、#3)に回収する。(デューテリウム(D)を完全に分離する構成とすることも可能である。)
中性子調整室(67v)を備え、中性子減速材(10)の量を調整することで、トリチウム増殖室(67T)に照射する中性子(n)の線量を調整し、炉全体のトリチウム増殖率(ηt)を制御する。
トリチウム増殖室(67T)を有しないD-T反応炉を隣接して設けるなど、余剰のトリチウム(T)を消滅出来る場合は、中性子調整室(67v)を省略することができる。
さらに、図には示していないが、トリチウム増殖室(67T)を炉の下部に偏在させ、荷電粒子ビームの発射時刻を調整して核融合発生点(51)の位置を変えることで、トリチウム増殖率(ηt)を制御することができる。
The gas collected in the gas cylinder (79, # 0) is sent to the charged particle generator (61, # 1) to be ionized, and only the tritium (T) is selected by the ion flow bending device (68r, # 10). It is sent to the accelerator (62, # 11, T).
Since substances other than tritium (T) are separated by the ion flow bending device (68r, # 10), the ions are returned to the gas (mainly H2, HD, D2) by the ion neutralizer (70, # 1), and the gas cylinder ( 79, # 3). (It is also possible to adopt a configuration in which the deuterium (D) is completely separated.)
By providing a neutron control chamber (67v) and adjusting the amount of the neutron moderator (10), the dose of neutrons (n) irradiated to the tritium breeding chamber (67T) is adjusted, and the tritium breeding rate (ηt) ) Control.
If the excess tritium (T) can be eliminated, for example, by providing a DT reactor having no tritium breeding chamber (67T) adjacent thereto, the neutron conditioning chamber (67v) can be omitted.
Furthermore, although not shown in the figure, the tritium breeding chamber (67T) is unevenly distributed in the lower part of the furnace, and the firing time of the charged particle beam is adjusted to change the position of the fusion generation point (51), thereby allowing the tritium breeding to be performed. The rate (ηt) can be controlled.
Claims (8)
双方共にデューテリウム(D)であるもの、及び、
デューテリウム(D)とトリチウム(T)であるもので、
デューテリウム(D)とヘリウム3(3He)であるもの、及び、
双方共にヘリウム3(3He)であるものであり、
高速の荷電粒子より低速の荷電粒子の粒子数を多くする構成にしたものであって、
これらの核融合燃料である荷電粒子をクーロン力により加速してパルス状の荷電粒子ビームのバンチにする粒子加速器(62)、荷電粒子ビームを収束する電子レンズ(63)及び荷電粒子ビームの飛翔方向を変える偏向器(64)から成る、高速用と低速用の荷電粒子ビーム発生器(60)、
荷電粒子ビームが衝突する核融合反応領域(52)を取り囲む様に配置した、核融合生成粒子の運動エネルギー(K)を取得するエネルギー変換器(67)、並びに、
前記荷電粒子ビームを回収するイオン回収路(68c)、イオン移送路(68)及びイオン流屈曲器(68r)により構成する、燃料粒子循環路(69)を備え、
前記荷電粒子ビーム発生器(60)から低速の、次に高速の荷電粒子ビームを順次発射し、前記核融合反応点(51)に収束し、
核融合燃料の組み合わせによって決まる核融合反応断面積(σ)が大きくなる相対速度(衝突に要する運動エネルギー(K)に対して核融合により得られる運動エネルギー(K)が大きくなる速度。)で衝突させて、細長い領域で核融合反応を発生させ、
核融合反応領域(52)からパルス状に等方に飛翔する核融合生成粒子の運動エネルギー(K)を前記エネルギー変換器(67)により取得するとともに、減速し、
前記イオン回収路(68c)から前記核融合反応領域(52)を核融合反応せずに通過した未反応燃料粒子(49n)を回収し、前記燃料粒子循環路(69)を経由して、荷電粒子の状態で滞ることなく前記粒子加速器(62)に循環して、再利用する、
前記燃料粒子循環路(69)を備えることを特徴とする、荷電粒子ビーム衝突型核融合炉(50)
Of the two fusion fuel beams that are launched, one is a slow charged particle beam and the other is a fast charged particle beam.
Both are deuterium (D); and
Deuterium (D) and tritium (T)
What is deuterium (D) and helium 3 (3 He), and,
Are those helium 3 (3 He) to both,
It is configured to increase the number of low-speed charged particles compared to high-speed charged particles,
A particle accelerator (62) for accelerating charged particles as a fusion fuel by Coulomb force to bunch a pulsed charged particle beam, an electron lens (63) for converging the charged particle beam, and a flight direction of the charged particle beam A high-speed and low-speed charged particle beam generator (60), comprising a deflector (64) for changing
An energy converter (67) arranged to surround the fusion reaction region (52) with which the charged particle beam collides, for obtaining the kinetic energy (K) of the fusion-producing particles;
A fuel particle circulation path (69) including an ion collection path (68c) for collecting the charged particle beam, an ion transfer path (68), and an ion flow bending device (68r);
The charged particle beam generator (60) sequentially emits a low-speed and then a high-speed charged particle beam and converges on the fusion reaction point (51);
Collision occurs at a relative velocity at which the fusion reaction cross section (σ) determined by the combination of fusion fuels increases (the velocity at which the kinetic energy (K) obtained by nuclear fusion increases with respect to the kinetic energy (K) required for collision). To generate a fusion reaction in the elongated area,
The energy converter (67) obtains the kinetic energy (K) of the fusion product particles flying isotropically in a pulse form from the fusion reaction region (52), and decelerates the kinetic energy.
Unreacted fuel particles (49n) that have passed through the fusion reaction region (52) without performing a nuclear fusion reaction from the ion recovery channel (68c) are recovered, and charged via the fuel particle circulation channel (69). Circulate through the particle accelerator (62) without stagnation in the state of particles and reuse it;
A charged particle beam collision-type fusion reactor (50) comprising the fuel particle circulation path (69).
デューテリウム(D)とヘリウム3(3He)であるもの、及び、
双方共にヘリウム3(3He)であるものであり、
核融合生成粒子の運動エネルギー(K)を取得するエネルギー変換器(67)に、
楕円を基調とする内面形状により荷電粒子を収集する荷電粒子収束器(56)、
荷電粒子の流れに電磁的に結合した電極(71)を有する回生減速器(67E、67l)、及び
整流器(67d+、67d−)を備え、
核融合反応領域(52)からパルス状に等方に飛翔する核融合生成荷電粒子(49c)を、前記荷電粒子収束器(56)で収束し、核融合生成荷電粒子(49c)の運動エネルギー(K)を前記回生減速器(67E)で直接電力変換して直流の電気エネルギー(E)を取得するとともに、荷電粒子を減速する簡易型(50s)である、
前記荷電粒子収束器(56)、前記回生減速器(67E、67l)及び前記整流器(67d+、67d−)を備えることを特徴とする、
請求項1に記載の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉(50)
Fusion fuel of charged particle beam, one of which is slow and the other is fast,
What is deuterium (D) and helium 3 (3 He), and,
Are those helium 3 (3 He) to both,
An energy converter (67) that obtains the kinetic energy (K) of the fusion-producing particles,
A charged particle concentrator (56) for collecting charged particles by an inner surface shape based on an ellipse;
A regenerative reducer (67E, 67l) having an electrode (71) electromagnetically coupled to the flow of charged particles, and a rectifier (67d +, 67d-);
The fusion-produced charged particles (49c) flying isotropically from the fusion reaction region (52) in a pulse form are converged by the charged-particle converging device (56), and the kinetic energy (49c) of the fusion-produced charged particles (49c) is reduced. K) is a simplified type (50s) that directly converts the electric power of the regenerative speed reducer (67E) to obtain DC electric energy (E) and decelerates charged particles.
It is characterized by comprising the charged particle concentrator (56), the regenerative speed reducer (67E, 67l) and the rectifier (67d +, 67d-).
The charged particle beam collision type fusion reactor (50) according to claim 1.
デューテリウム(D)とヘリウム3(3He)であるもの、及び、
双方共にヘリウム3(3He)であるものであり、
核融合生成粒子の運動エネルギー(K)を取得するエネルギー変換器(67)に、
楕円を基調とする内面形状により荷電粒子を収集する荷電粒子収束器(56)、
荷電粒子の流れに電磁的に結合した電極(71)を有する回生減速器(67E、67l)、
電気エネルギー(E)を熱エネルギー(Q)に変換する抵抗体(67R)、及び、熱交換室(67Q)を備え、
核融合反応領域(52)からパルス状に等方に飛翔する核融合生成荷電粒子(49c)を、前記荷電粒子収束器(56)で収束し、核融合生成荷電粒子(49c)の運動エネルギー(K)を前記回生減速器(67E)で直接電力変換して電気エネルギー(E)を取得するとともに、荷電粒子を減速し、電磁誘導電流を前記抵抗体(67R)に流して熱エネルギー(Q)に変換する熱変換型(50h)である、
前記回生減速器(67E、67l)及び前記抵抗体(67R)を備えることを特徴とする、
請求項1及び2のいずれかに1つに記載の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉(50)
Fusion fuel of charged particle beam, one of which is slow and the other is fast,
What is deuterium (D) and helium 3 (3 He), and,
Are those helium 3 (3 He) to both,
An energy converter (67) that obtains the kinetic energy (K) of the fusion-producing particles,
A charged particle concentrator (56) for collecting charged particles by an inner surface shape based on an ellipse,
A regenerative reducer (67E, 67l) having an electrode (71) electromagnetically coupled to the flow of charged particles;
A resistor (67R) for converting electric energy (E) into heat energy (Q), and a heat exchange chamber (67Q);
The fusion-produced charged particles (49c) flying isotropically from the fusion reaction region (52) in a pulse form are converged by the charged-particle converging device (56), and the kinetic energy (49c) of the fusion-produced charged particles (49c) is reduced. K) is directly converted into electric power by the regenerative speed reducer (67E) to obtain electric energy (E), and at the same time, decelerates the charged particles and causes an electromagnetically induced current to flow through the resistor (67R) to generate thermal energy (Q). Is a heat conversion type (50h) that converts
The regenerative speed reducer (67E, 67l) and the resistor (67R) are provided.
A charged particle beam collision-type fusion reactor (50) according to any one of the preceding claims.
双方共にデューテリウム(D)であるもの、及び、
デューテリウム(D)とトリチウム(T)であるもので、
D−D反応とD−T反応を連携して行うものであって、独立した炉で行うもの、及び、1つの炉で行うものを含み、
核融合生成荷電粒子(49c)の運動エネルギー(K)を取得するエネルギー変換器(67)に、
荷電粒子収束器(56)、回生減速器(67E、67l)、及び、
扇型磁界及び電界を通過することにより荷電粒子を電荷質量比(m/z)により核種毎に分離する荷電粒子分離器(68x)、トリチウム(T)を循環する燃料粒子循環路(69)、並びに、
中性子(n)の運動エネルギー(K)を取得するエネルギー変換器(67)に、中性子減速材(10)で満たした中性子熱変換器(67c)、中性子遮蔽室(67s)から成る熱交換室(67Q)を備え、
核融合反応領域(52)からパルス状に等方に飛翔する核融合生成荷電粒子(49c)を、前記荷電粒子収束器(56)で収束し、荷電粒子の運動エネルギー(K)を前記回生減速器(67E)により直接電力変換して電気エネルギー(E)を取得する(抵抗体(67R)により熱エネルギー(Q)に変換するものを含む。)とともに、荷電粒子を減速し、
核融合生成荷電粒子(49c)の粒子の速度(到達時刻)の違い、及び、前記荷電粒子分離器(68x)により電荷質量比(m/z)の相違により核種毎に分離し、前記燃料粒子循環路(69)によりトリチウム(T)を荷電粒子の状態で連携するD−T反応の粒子加速器(62)に循環し、 並びに、
核融合反応領域(52)からパルス状に等方に飛翔する中性子(n)を、前記熱交換室(67Q)により熱エネルギー(Q)に変換するとともに、前記中性子減速材(10)に吸収して遮蔽する、
トリチウム(T)を直ちに消滅する構成のトリチウム消滅連携型(50c)である、
前記荷電粒子分離器(68x)、前記燃料粒子循環路(69)、中性子減速材(10)で満たした中性子熱変換器(67c)、中性子遮蔽室(67s)から成る熱交換室(67Q)を備えることを特徴とする、
請求項1から4のいずれか1つに記載の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉(50)
Fusion fuel of charged particle beam, one of which is slow and the other is fast,
Both are deuterium (D); and
Deuterium (D) and tritium (T)
The DD reaction and the DT reaction are performed in cooperation with each other, including those performed in an independent furnace, and those performed in one furnace,
The energy converter (67) for obtaining the kinetic energy (K) of the fusion-produced charged particles (49c)
A charged particle concentrator (56), a regenerative speed reducer (67E, 67l), and
A charged particle separator (68x) for separating charged particles for each nuclide by a charge-mass ratio (m / z) by passing through a fan-shaped magnetic field and an electric field, a fuel particle circulation path (69) for circulating tritium (T), And
A heat exchanger (67c) filled with a neutron moderator (10) and a heat exchange chamber (67s) composed of a neutron shielding chamber (67s) are provided to an energy converter (67) for acquiring kinetic energy (K) of neutrons (n). 67Q)
The fusion-produced charged particles (49c) flying isotropically from the fusion reaction region (52) in a pulse form are converged by the charged particle converging device (56), and the kinetic energy (K) of the charged particles is reduced by the regenerative deceleration. The electric power is directly converted by the heater (67E) to obtain the electric energy (E) (including the heat energy (Q) converted by the resistor (67R)), and the charged particles are decelerated.
Separation for each nuclide by the difference in the velocity (arrival time) of the fusion-produced charged particles (49c) and the difference in charge-mass ratio (m / z) by the charged particle separator (68x). Circulating tritium (T) in the form of charged particles to the associated DT reaction particle accelerator (62) by the circulation path (69);
The neutrons (n) flying in a pulsed isotropic manner from the fusion reaction region (52) are converted into thermal energy (Q) by the heat exchange chamber (67Q) and absorbed by the neutron moderator (10). Shield
It is a tritium annihilation cooperative type (50c) configured to immediately annihilate tritium (T).
A heat exchange chamber (67Q) including the charged particle separator (68x), the fuel particle circulation path (69), a neutron heat converter (67c) filled with a neutron moderator (10), and a neutron shielding chamber (67s). Characterized by having
The charged particle beam collision type fusion reactor (50) according to any one of claims 1 to 4.
双方共にデューテリウム(D)であるもの、及び、
デューテリウム(D)とトリチウム(T)であるもので、
D−D反応とD−T反応を連携して行うものであって、独立した炉で行うもの、及び、1つの炉で行うものを含み、
中性子(n)の運動エネルギー(K)を取得するエネルギー変換器(67)に、トリチウム増殖材(リチウム(Li)、及びその化合物を含む。)を満たしたトリチウム増殖室(67T)を有する熱交換室(67Q)、並びに、
ヘリウム4ガス(24)を循環してトリチウム(T)を回収する機構、及び、水素ガスを分離する水素分離器(82)を備え、
核融合反応領域(52)からパルス状に等方に飛翔する中性子(n)の照射を受け、前記トリチウム増殖室(67T)においてトリチウム(T)を増倍し、
循環ガスであるヘリウム4ガス(4He)を循環し、水素分離器(82)によりトリチウム(T)を含むガスを回収し、D−T反応炉のトリチウム(T)用の燃料粒子循環路(69)に加える構成のトリチウム増倍型(50t)である、
トリチウム生成率(ηt)が1未満のトリチウム増殖室(67T)を備えることを特徴とする、
請求項1から4のいずれか1つに記載の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉(50)
Fusion fuel of charged particle beam, one of which is slow and the other is fast,
Both are deuterium (D); and
Deuterium (D) and tritium (T)
The DD reaction and the DT reaction are performed in cooperation with each other, including those performed in an independent furnace, and those performed in one furnace,
Heat exchange having a tritium breeding chamber (67T) filled with a tritium breeding material (including lithium (Li) and its compound) in an energy converter (67) for obtaining kinetic energy (K) of neutrons (n). Room (67Q), and
A mechanism for circulating helium 4 gas (24) to recover tritium (T), and a hydrogen separator (82) for separating hydrogen gas;
Receiving irradiation of neutrons (n) flying in a pulsed isotropic manner from the fusion reaction region (52), multiplying tritium (T) in the tritium breeding chamber (67T),
Helium 4 gas is circulated gas (4 the He) circulating the hydrogen separator (82) by a gas containing tritium (T) was collected, the fuel particles circulating path for D-T reactor tritium (T) ( 69) is a tritium multiplication type (50t) having a configuration added to
A tritium breeding chamber (67T) having a tritium generation rate (η t ) of less than 1;
The charged particle beam collision type fusion reactor (50) according to any one of claims 1 to 4.
デューテリウム(D)とトリチウム(T)であるもので、
単独のD−T反応炉で構成するもの、及び、複数のD−T反応炉を連携するものを含み
中性子(n)の運動エネルギー(K)を取得するエネルギー変換器(67)に、トリチウム増殖材(リチウム(Li)、及びその化合物を含む。)、及び、中性子倍増材(ベリリウム(Be)、及びその化合物を含む。)を満たしたトリチウム増殖室(67T)を有する熱交換室(67Q)、
ヘリウム4ガス(24)を循環してトリチウム(T)を回収する機構、及び、水素ガスを分離する水素分離器(82)、 並びに、
前記トリチウム増殖室(67T)に達する中性子(n)の線量を調整する機構(中性子調整室(67v)、トリチウム生成率(ηt)が1未満若しくはトリチウム増殖室(67T)を有しないD−T反応炉)を備え
核融合反応領域(52)からパルス状に等方に飛翔する中性子(n)の照射を受け、前記トリチウム増殖室(67T)において中性子(n)及びトリチウム(T)を増倍し、
循環ガスであるヘリウム4ガス(4He)を循環し、水素分離器(82)によりトリチウム(T)を含むガスを回収し、D−T反応炉のトリチウム(T)燃料とし、
前記トリチウム増殖室(67T)に達する中性子(n)の線量を調整する機構を有する構成のトリチウム増殖型(50T)である、
トリチウム生成率(ηt)が1を超える前記トリチウム増殖室(67T)を備えることを特徴とする、
請求項1から4のいずれか1つに記載の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉(50)
Fusion fuel of charged particle beam, one of which is slow and the other is fast,
Deuterium (D) and tritium (T)
Tritium breeding into an energy converter (67) that obtains the kinetic energy (K) of neutrons (n), including those configured with a single DT reactor and those that link multiple DT reactors Heat exchange chamber (67Q) having a tritium breeding chamber (67T) filled with a material (including lithium (Li) and its compound) and a neutron doubling material (including beryllium (Be) and its compound) ,
A mechanism for circulating helium 4 gas (24) to recover tritium (T), a hydrogen separator (82) for separating hydrogen gas, and
A mechanism for adjusting the dose of neutrons (n) reaching the tritium breeding chamber (67T) (a neutron conditioning chamber (67v), a DT having a tritium generation rate (η t ) of less than 1 or having no tritium breeding chamber (67T)) Neutron (n) flying in a pulsed isotropic manner from the fusion reaction region (52), and the neutrons (n) and tritium (T) are multiplied in the tritium breeding chamber (67T). And
Helium 4 gas is circulated gas (4 the He) circulating a gas containing tritium (T) was collected by the hydrogen separator (82), and tritium (T) Fuel D-T reactor,
A tritium breeder (50T) having a mechanism for adjusting the dose of neutrons (n) reaching the tritium breeding chamber (67T);
A tritium breeding chamber (67T) having a tritium generation rate (η t ) of more than 1;
The charged particle beam collision type fusion reactor (50) according to any one of claims 1 to 4.
前記絶縁体容器の外側に帯電を除去する電極(71)を備え、周期的に高電圧を加えて帯電除去動作を行う、
燃料となる荷電粒子を加速する粒子加速器(62)、
燃料となる荷電粒子を収束するキャピラリー(63c)、
核融合生成荷電粒子(49c)を収束する荷電粒子収束器(56)、
核融合生成荷電粒子(49c)を減速する回生減速器(67E、イオン周回減速器(67l)を含む)、
核融合生成荷電粒子(49c)を質量電荷比(m/z)の違いにより分別する荷電粒子分離器(68x)、
未反応燃料粒子(49n)を回収するイオン回収路(68c)、
荷電粒子を移送するイオン移送路(68)、
荷電粒子の進行方向を変えるイオン流屈曲器(68r)及び、
荷電粒子に電子を与えてガスに戻すイオン中和器(70)のうち、いずか1つ以上を備えることを特徴とする、
請求項1から6のいずれか1つに記載の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉(50)
Having a container made of a tough insulator material such as ceramics to prevent charged particles from directly contacting the electrode, and
An electrode (71) for removing charge is provided outside the insulator container, and a charge removal operation is performed by periodically applying a high voltage.
A particle accelerator (62) for accelerating charged particles serving as fuel,
A capillary (63c) for converging charged particles serving as fuel,
Charged particle converging device (56) for converging fusion-produced charged particles (49c),
A regenerative moderator (67E, including an ion orbiting moderator (67l)) for decelerating the fusion-produced charged particles (49c);
A charged particle separator (68x) for separating the fusion-produced charged particles (49c) based on a difference in mass-to-charge ratio (m / z);
An ion recovery path (68c) for recovering unreacted fuel particles (49n),
An ion transfer path (68) for transferring charged particles,
An ion flow bending device (68r) for changing the traveling direction of charged particles, and
It is provided with any one or more of ion neutralizers (70) which give electrons to charged particles and return them to gas.
A charged particle beam collision-type fusion reactor (50) according to any one of the preceding claims.
請求項1から7のいずれかに記載の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉(50)
An ion flow bending device (68r) having a fan-shaped magnetic field (including a fan having a combined fan-shaped electric field of 68m and a fan-shaped electric field 68e) that bends charged particles that have entered, and has different mass-to-charge ratios (m / z). An ion flow bending device (68r) having an ion neutralizer (70) for separating and returning the particles to a gas.
A charged particle beam collision-type fusion reactor (50) according to any one of claims 1 to 7.
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山本俊二 他3名: ""導体壁に囲まれたピンチプラズマのMHD不安定性の動的安定化実験"", 電気学会論文誌.A, vol. 第101巻, 第1号, JPN6018042355, 20 January 1981 (1981-01-20), JP, pages 1 - 6, ISSN: 0003907111 * |
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