WO2011074612A1 - 核融合ターゲット材、核融合装置、及び核融合方法 - Google Patents

核融合ターゲット材、核融合装置、及び核融合方法 Download PDF

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尊史 関根
利幸 川嶋
博文 菅
米喜 北川
芳孝 森
博純 東
辰視 日置
友美 元廣
康司 宮本
直樹 中村
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浜松ホトニクス株式会社
トヨタ自動車株式会社
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/10—Nuclear fusion reactors

Definitions

  • the present invention relates to a fusion target material, a fusion apparatus, and a fusion method using laser light.
  • Non-patent document 1 and patent document 1 below are known as conventional examples of nuclear fusion generation methods using laser light.
  • an irradiation member formed by applying a deuterium-substituted plastic to a thin film such as Mylar is instantaneously irradiated with a laser beam to generate high-energy hydrogen nuclei, and the hydrogen nuclei are irradiated.
  • a target member arranged at a predetermined distance from the member is irradiated to induce a nuclear fusion reaction.
  • Non-Patent Document 1 two laser pulses are applied to a target material formed by depositing deuterium-substituted polyethylene (C 2 D 4 ) x on an aluminum plate at a predetermined time interval (300 psec). Inject continuously to induce a fusion reaction.
  • C 2 D 4 deuterium-substituted polyethylene
  • the target material is turned into plasma by the first laser pulse of the two laser pulses, and then the ions in the plasma are heated to a higher temperature by the second laser pulse.
  • a laser beam having a relatively large energy is required to efficiently generate a thermonuclear fusion reaction with an optimum ion concentration in the plasma.
  • sufficient energy efficiency cannot be obtained. As a result, it is difficult for both methods to generate a fusion reaction with high energy efficiency.
  • An object is to provide an apparatus and a fusion method.
  • a fusion target material of the present invention is a fusion target material for generating a nuclear fusion reaction by irradiating a laser beam, and includes a first film containing deuterium or tritium.
  • a first target layer having a thickness; a second target layer stacked on the first target layer and having a second thickness smaller than the first thickness containing deuterium or tritium; Is provided.
  • the nuclear fusion apparatus of the present invention includes the above-described fusion target material, a vacuum container that accommodates the fusion target material, and a second target layer that is continuous toward the second target layer of the fusion target material.
  • a laser beam irradiating unit that irradiates a laser beam including the second pulsed light, wherein the intensity of the first pulsed light is smaller than the intensity of the second pulsed light and is The target layer is set to a value that can be peeled off.
  • the nuclear fusion method of the present invention is a nuclear fusion method for generating a nuclear fusion reaction by irradiating a laser beam, the first target having a first film thickness containing deuterium or tritium.
  • a fusion target material comprising a layer and a second target layer stacked on the first target layer and having a second film thickness that is less than the first film thickness containing deuterium or tritium,
  • a first pulse comprising: placing in a vacuum; and irradiating a laser beam including two continuous first and second pulse lights toward a second target layer of a fusion target material.
  • the intensity of light is set to a value that is smaller than the intensity of the second pulsed light and that can peel the second target layer from the first target layer.
  • the fusion target material including two layers of the first and second target layers containing deuterium or tritium is disposed in a vacuum.
  • the second target layer can be peeled from the first target layer by irradiating the first pulse light toward the second target layer which is a thin film layer.
  • the second pulse light continuous to the first pulse light is irradiated to the second target layer at a predetermined time interval, whereby the ion beam generated from the first target layer is separated by a predetermined distance. Since sufficient acceleration can be performed toward the second target layer, the first target layer can be irradiated with a high-energy ion beam.
  • the fusion reaction can be generated with high efficiency in the vicinity of the first target layer, and the generation efficiency of neutrons is improved.
  • the size of the apparatus can be easily reduced by employing a target material including two target layers.
  • the fusion reaction can be induced with relatively high efficiency, and the apparatus can be miniaturized.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing the structure of a fusion device 1 according to a preferred embodiment of the present invention. It is a conceptual diagram which shows the induced state of the fusion reaction in the nuclear fusion apparatus of FIG.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a structure of a fusion device 1 according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the fusion device 1 is a device for generating a neutron by inducing a fusion reaction by laser light irradiation, and a laser device (laser light irradiation unit) 3 for irradiating the laser light, and the inside is in a vacuum state.
  • a maintained vacuum vessel 5 and a fusion target material 7 housed in the vacuum vessel 5 are provided.
  • the laser device 3 can irradiate an ultrashort pulse laser beam having a pulse width of about 100 fs, and examples of the laser medium include a titanium sapphire crystal, which includes a beam splitting unit, a pulse delay unit, a beam coupling unit, and the like. It is a device to do. Further, the laser device 3 is configured to be able to continuously irradiate the ultrashort pulse laser beam at a predetermined time interval (for example, every several hundred ps). The laser device 3 is arranged so as to irradiate an ultrashort pulse toward the fusion target material 7 in the vacuum vessel 5.
  • the fusion target material 7 has a two-layer structure including a target substrate (first target layer) 7a and a thin film layer (second target layer) 7b stacked on the target substrate 7a. Is supported so that the surface on the thin film layer 7b side faces the laser device 3 side.
  • This target substrate 7a is a flat solid material having a film thickness of several hundred ⁇ m to about 1 mm containing deuterium or tritium, and hydrogen in the solid material is substituted with deuterium or tritium.
  • deuterium-substituted polystyrene (C 8 D) in which hydrogen in an organic material containing carbon and hydrogen such as plastic represented by polystyrene (C 8 H 8 ) X is substituted with deuterium. 8 ) X is used.
  • the thin film layer 7b laminated on the target substrate 7a having the above composition is a metal thin film having a thickness of 1 ⁇ m or less thinner than the target substrate 7a containing deuterium or tritium, and occludes deuterium or tritium into the metal thin film. It has been made.
  • a heavy metal such as titanium or palladium that easily absorbs hydrogen is used. After depositing such a heavy metal on the target substrate 7a with a film thickness of several to several tens of nm, the heavy hydrogen is occluded. By doing so, the thin film layer 7b is formed.
  • the target substrate 7a and the thin film layer 7b may contain either deuterium or tritium, or both may be contained in an appropriate ratio.
  • the fusion device 1 is prepared, and after the fusion target material 7 is disposed in the vacuum vessel 5 so that the thin film layer 7b faces the laser irradiation direction of the laser device 3, the inside of the vacuum vessel 5 is predetermined. Evacuate to the degree of vacuum.
  • the thin film layer 7 b of the fusion target material 7 is irradiated with a first pulse laser beam having a pulse width of about 100 fs from the laser device 3. Further, immediately after that, a second pulse laser beam having a pulse width of about 100 fs to 1 ps is continuously transmitted from the laser device 3 to the thin film layer 7b of the fusion target material 7 with a predetermined time interval. Irradiate.
  • the second pulse laser beam may include a pre-pulse laser in order to generate pre-plasma in the thin film layer 7b.
  • the intensity of the first pulse laser beam is set to a value on the order of 10 15 W / cm 2
  • the intensity of the second pulse laser beam is set to a value on the order of 10 18 W / cm 2
  • the intensity of the first pulse laser beam is made sufficiently smaller than the intensity.
  • the intensity of the first pulse laser beam is set to such an intensity that the thin film layer 7b is peeled off from the target substrate 7a and the material of the thin film layer 7b is not turned into plasma.
  • the time interval between the first pulsed laser beam and the second pulsed laser beam is set to several hundreds ps as a value such that the thin film layer 7b is peeled off from the target substrate 7a and flies about a distance of 1 to 10 ⁇ m.
  • continuous two pulsed light refers to two pulsed light having a time interval such that the thin film layer 7b is peeled from the target substrate 7a and flies by a distance of 1 to 10 ⁇ m.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram showing an induced state of the fusion reaction in the fusion apparatus 1.
  • the irradiation timing of the second pulse laser beam P 2 is preferably the timing at which the distance D1 is 1 ⁇ m or more so that the deuterium ions are sufficiently accelerated, and the deuterium ions diffuse and the target It is preferable that the distance D1 be 10 ⁇ m or less so that the density of deuterium ions reaching the substrate 7a does not decrease.
  • the fusion target material 7 including two layers of the deuterium or tritium-containing target substrate 7a and the thin film layer 7b is placed in the vacuum vessel 5.
  • the first pulse laser beam By arranging and irradiating the first pulse laser beam toward the thin film layer 7b, the thin film layer 7b can be peeled off from the target substrate 7a.
  • the second pulse laser beam continuous to the first pulse laser beam is irradiated to the thin film layer 7b with a predetermined time interval, whereby the ion beam generated from the thin film layer 7b is directed toward the target substrate 7a separated by a predetermined distance.
  • the target substrate 7a can be sufficiently accelerated, a high energy ion beam can be irradiated onto the target substrate 7a. As a result, a fusion reaction can be generated with high efficiency inside the target substrate 7a, and the generation efficiency of neutrons corresponding to the fusion reaction is also improved.
  • the fusion target material 7 consisting of two layers is arranged in the vacuum vessel 5, it is not necessary to use a large-scale accelerator or nuclear reactor as in the prior art, so the size of the apparatus can be easily reduced. It becomes.
  • the ion beam having directivity is sufficiently accelerated and collided with the target material to induce nuclear fusion, so that heat using conventional laser light can be used in the case of low laser energy conditions.
  • heat using conventional laser light can be used in the case of low laser energy conditions.
  • more neutrons can be generated with respect to the input energy, and high energy efficiency can be achieved.
  • the target substrate 7a is obtained by replacing hydrogen in a solid material containing hydrogen with deuterium or tritium, the arrangement structure of the target substrate 7a in the vacuum vessel 5 is simplified.
  • the thin film layer 7b can be easily stacked on the target substrate 7a.
  • the thin film layer 7b is a metal thin film that occludes deuterium or tritium, the stacking process on the target substrate 7a is facilitated. Therefore, the manufacturing process of the fusion target material 7 and the process of incorporating it into the fusion apparatus 1 are simplified as a whole.
  • a heavy water block in which heavy water (D 2 O or T 2 O) is frozen and solidified may be used as the target substrate 7a.
  • the thin film layer 7b is formed by vapor deposition in an environment where the temperature is sufficiently controlled so that heavy water does not dissolve. Similarly, it is performed in a temperature-controlled environment during irradiation with laser light for inducing fusion.
  • the thin film layer 7b a thin film-like solid material such as deuterium-substituted polystyrene (C 8 D 8 ) X in which hydrogen is substituted with deuterium or tritium is used, and the target substrate 7a is covered with the thin film layer 7b. You may use what laminated
  • C 8 D 8 deuterium-substituted polystyrene
  • an ion accelerator can be realized.
  • This ion accelerator has the same basic configuration as that of the nuclear fusion device 1 and changes only the constituent members of the target substrate 7a of the fusion target material 7. That is, the target substrate 7a is made of a film-like member that does not contain deuterium or tritium, for example, an organic film having a thickness of about 10 ⁇ m, and a thin film layer 7b made of deuterium storage titanium is laminated on the organic film. Used as a target material.
  • the target material is irradiated with a double pulse laser beam including the first pulse laser beam and the second pulse laser beam to generate accelerated ions from the thin film layer 7b to the outside. Can do.
  • the first target layer is formed by replacing hydrogen in a solid material containing hydrogen with deuterium or tritium.
  • the arrangement structure of the first target layer is simplified, and the second target layer can be easily stacked.
  • the second target layer is a metal thin film storing deuterium or tritium.
  • the second target layer is formed by replacing hydrogen in a solid material containing hydrogen with deuterium or tritium.
  • the present invention uses a fusion target material, a fusion device, and a fusion method that utilize laser light, can induce a fusion reaction with relatively high efficiency, and can downsize the device. It is something that can be done.
  • SYMBOLS 1 Nuclear fusion apparatus, 3 ... Laser apparatus (laser beam irradiation part), 5 ... Vacuum container, 7 ... Fusion target material, 7a ... Target substrate (1st target layer), 7b ... Thin film layer (2nd target) Layer), P 1 ... First pulse laser beam (first pulse beam), P 2 ... Second pulse laser beam (second pulse beam).

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Abstract

　核融合反応を比較的高効率で誘起させることができ、かつ、装置を小型化することを目的とする。本発明の核融合装置１は、重水素又は三重水素を含有するターゲット基板７ａと、ターゲット基板７ａ上に積層され、重水素又は三重水素を含有する薄膜層７ｂとを含む核融合ターゲット材７と、核融合ターゲット材７を収納する真空容器５と、核融合ターゲット材７の薄膜層７ｂに向けて、連続した２つの第１及び第２のパルスレーザ光P1,P2を照射するレーザ装置３とを備え、第１パルスレーザ光P1の強度は、第２パルスレーザ光P2の強度よりも小さく、かつ、ターゲット基板７ａから薄膜層７ｂを剥離可能な値に設定されている。

Description

核融合ターゲット材、核融合装置、及び核融合方法
　本発明は、レーザ光を利用する核融合ターゲット材、核融合装置、及び核融合方法に関するものである。
　従来から、小型かつ安価な装置を用いて高制御に核融合を発生させるためにレーザ光を利用することが検討されている。さらに、近年の研究により、レーザ装置を利用した核融合反応による中性子発生効率の大幅な向上が期待されてきており、このような核融合反応を利用した中性子の発生方法は、核分裂反応と比較してより安全な方法として期待されてきている。
　レーザ光を利用した核融合発生方法の従来例としては、下記非特許文献１及び下記特許文献１のものが知られている。下記特許文献１記載の方法では、マイラ等の薄膜に重水素置換プラスチックを塗布して成る照射部材に、レーザ光を瞬間的に照射して高エネルギーの水素原子核を発生させ、この水素原子核を照射部材から所定距離ほど離して配置したターゲット部材に照射させて核融合反応を誘起する。また、下記非特許文献１記載の方法では、アルミニウム板に重水素置換ポリエチレン(C2D4)xを成膜して作成されたターゲット材に所定の時間間隔（300psec）で２つのレーザパルスを連続的に入射させて核融合反応を誘起させる。
特開２００２－１０７４９４号公報
G. Pretzler, et al., "Neutron production by 200 mJ ultrashort laserpulses", Physical Review E, Volume 58, Number 1, The American Physical Society, July 1998, p.1165- 1168
　しかしながら、上述した非特許文献１記載の核融合発生方法では、２つのレーザパルスのうちの１番目のレーザパルスによってターゲット材をプラズマ化した後、２番目のレーザパルスでプラズマ中のイオンを高温化して熱核融合を誘起させるというものであるため、プラズマ中のイオン濃度を最適値にして効率よく熱核融合反応を発生させるために比較的大きなエネルギーのレーザ光が必要となる。また、上述した特許文献１記載の核融合発生方法では、エネルギー効率が十分に得られない。その結果、両者の方法では高いエネルギー効率で核融合反応を発生させることが困難な傾向にある。
　そこで、本発明は、かかる課題に鑑みて為されたものであり、核融合反応を比較的高効率で誘起させることができ、かつ、装置を小型化することができる核融合ターゲット材、核融合装置、及び核融合方法を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するため、本発明の核融合ターゲット材は、レーザ光を照射して核融合反応を発生させるための核融合ターゲット材であって、重水素又は三重水素を含有する第１の膜厚を有する第１のターゲット層と、第１のターゲット層上に積層され、重水素又は三重水素を含有する第１の膜厚よりも薄い第２の膜厚を有する第２のターゲット層と、を備える。
　或いは、本発明の核融合装置は、上述した核融合ターゲット材と、核融合ターゲット材を収納する真空容器と、核融合ターゲット材の第２のターゲット層に向けて、連続した２つの第１及び第２のパルス光を含むレーザ光を照射するレーザ光照射部とを備え、第１のパルス光の強度は、第２のパルス光の強度よりも小さく、かつ、第１のターゲット層から第２のターゲット層を剥離可能な値に設定されている。
　或いは、本発明の核融合方法は、レーザ光を照射して核融合反応を発生させるための核融合方法であって、重水素又は三重水素を含有する第１の膜厚を有する第１のターゲット層と、第１のターゲット層上に積層され、重水素又は三重水素を含有する第１の膜厚よりも薄い第２の膜厚を有する第２のターゲット層とを有する核融合ターゲット材を、真空中に配置するステップと、核融合ターゲット材の第２のターゲット層に向けて、連続した２つの第１及び第２のパルス光を含むレーザ光を照射するステップとを備え、第１のパルス光の強度は、第２のパルス光の強度よりも小さく、かつ、第１のターゲット層から第２のターゲット層を剥離可能な値に設定されている。
　このような核融合ターゲット材、核融合装置、或いは核融合方法によれば、重水素又は三重水素を含有する第１及び第２のターゲット層の二層を含む核融合ターゲット材を真空中に配置し、薄膜層である第２のターゲット層に向けて第１のパルス光を照射することにより、第２のターゲット層を第１のターゲット層から剥離させることができる。その後、第１のパルス光に連続する第２のパルス光を所定の時間間隔を空けて第２のターゲット層に照射することによって、第１のターゲット層から発生したイオンビームを所定距離離れた第２のターゲット層に向けて十分加速することができるので、第１のターゲット層に高エネルギーのイオンビームを照射することができる。その結果、第１のターゲット層近傍において核融合反応を高効率で発生させることができ、中性子の発生効率も向上する。併せて、二層のターゲット層を含むターゲット材を採用することで装置の小型化も容易となる。
　本発明によれば、核融合反応を比較的高効率で誘起させることができ、かつ、装置を小型化することができる。
本発明の好適な一実施形態に係る核融合装置１の構造を示す概略構成図である。 図１の核融合装置における核融合反応の誘起状態を示す概念図である。
　以下、図面を参照しつつ本発明に係る核融合装置及び核融合方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、各図面は説明用のために作成されたものであり、説明の対象部位を特に強調するように描かれている。そのため、図面における各部材の寸法比率は、必ずしも実際のものとは一致しない。
　図１は、本発明の好適な一実施形態に係る核融合装置１の構造を示す概略構成図である。この核融合装置１は、レーザ光の照射によって核融合反応を誘起させて中性子を生成するための装置であり、レーザ光を照射するレーザ装置（レーザ光照射部）３と、内部が真空状態に維持された真空容器５と、真空容器５内に収納された核融合ターゲット材７とを備える。
　レーザ装置３は、パルス幅が100fs程度の超短パルスレーザ光を照射可能であって、レーザ媒質として、例えば、チタンサファイア結晶が挙げられ、ビーム分割部やパルス遅延部およびビーム結合部等を内蔵する装置である。また、レーザ装置３は、超短パルスレーザ光を所定の時間間隔（例えば、数100ps間隔）で連続して照射することが可能なように構成されている。このレーザ装置３は、真空容器５内の核融合ターゲット材７に向けて超短パルスを照射するように配置されている。
　核融合ターゲット材７は、ターゲット基板（第１のターゲット層）７ａとターゲット基板７ａ上に積層された薄膜層（第２のターゲット層）７ｂとを含む二層構造をなしており、ターゲット基板７ａが薄膜層７ｂ側の面をレーザ装置３側に向けるように支持されている。
　このターゲット基板７ａは、重水素又は三重水素を含む膜厚数百μm～約1mmの平板状の固体材料であって、固体材料中の水素が重水素又は三重水素で置換されたものである。例えば、ターゲット基板７ａの材料としては、ポリスチレン(C8H8)Xを代表とするプラスチック等の炭素および水素を含有する有機材料中の水素を重水素で置換した重水素置換ポリスチレン(C8D8)Xが用いられる。
　上記組成のターゲット基板７ａ上に積層される薄膜層７ｂは、重水素又は三重水素を含むターゲット基板７ａより薄い1μm以下の膜厚を有する金属薄膜であり、金属薄膜に重水素又は三重水素を吸蔵させたものである。例えば、薄膜層７ｂとしては、水素を吸蔵しやすいチタンやパラジウムなどの重金属が用いられ、このような重金属をターゲット基板７ａ上に数nm～数十nmの膜厚で蒸着した後に重水素を吸蔵させることによって薄膜層７ｂが形成される。
　ここで、ターゲット基板７ａ及び薄膜層７ｂには、重水素又は三重水素のいずれかを含有させてもよいし、両方を適切な比率で含有させてもよい。
　次に、上述した核融合装置１における核融合反応の誘起手順について詳述すると共に、本実施形態にかかるレーザ光を用いた核融合方法について説明する。
　まず、核融合装置１を用意し、真空容器５内にレーザ装置３のレーザ照射方向に対して薄膜層７ｂを対向させるように核融合ターゲット材７を配置した後、真空容器５の内部を所定の真空度まで真空引きする。
　その後、レーザ装置３からパルス幅が100fs程度の第１パルスレーザ光を、核融合ターゲット材７の薄膜層７ｂに照射する。さらに、その直後に、第１パルスレーザ光に所定時間間隔を空けて連続して、パルス幅が100fs～1ps程度の第２パルスレーザ光を、レーザ装置３から核融合ターゲット材７の薄膜層７ｂに照射する。ここでは、第２パルスレーザ光は、薄膜層７ｂにおいてプリプラズマを生成するためにプリパルスレーザを含んでいても良い。
　このとき、第１パルスレーザ光の強度が1015W/cm2のオーダの値、第２パルスレーザ光の強度が1018W/cm2のオーダの値に設定され、第２パルスレーザ光の強度に比して第１パルスレーザ光の強度が十分に小さくされる。この第１パルスレーザ光の強度は、薄膜層７ｂがターゲット基板７ａから剥離し、かつ、薄膜層７ｂの材料がプラズマ化しない程度の強度とされている。また、第１パルスレーザ光と第２パルスレーザ光との時間間隔は、薄膜層７ｂがターゲット基板７ａから剥離されて1～10μmの距離ほど飛翔する程度の値として、数100psと設定される。すなわち、本明細書において、「連続した２つのパルス光」とは、薄膜層７ｂがターゲット基板７ａから剥離されて１～10μｍの距離ほど飛翔する程度の時間間隔を有する２つのパルス光のことを言う。
　図２は、核融合装置１における核融合反応の誘起状態を示す概念図である。上記のように第１パルスレーザ光P1及び第２パルスレーザ光P2の強度及び時間間隔を設定することにより、第１パルスレーザ光P1の照射直後に、薄膜層７ｂがターゲット基板７ａから剥離され、その後薄膜層７ｂとターゲット基板７ａとの距離D1が1～10μm程度となったタイミングで、薄膜層７ｂに第２パルスレーザ光P2が照射される。その結果、第２パルスレーザ光P2の薄膜層７ｂへの照射に応じて、薄膜層７ｂにおいて重水素イオンIが生成され、この重水素イオンIが薄膜層７ｂとターゲット基板７ａとの間で十分に加速されてターゲット基板７ａに衝突する。それに応じて、ターゲット基板７ａ内部の重水素とイオンIとの間でDD核融合反応が誘起され、その結果生成された中性子Nが真空容器５の外部に向けて放出される。
　なお、第２パルスレーザ光P2の照射タイミングは、重水素イオンが十分加速するためには、距離D1が1μm以上となったタイミングであることが好ましく、かつ、重水素イオンが拡散してターゲット基板７ａに到達する重水素イオンの密度が低くならないように、距離D1が10μm以下となったタイミングであることが好ましい。
　以上説明した核融合装置１及びそれを用いた核融合方法によれば、重水素又は三重水素を含有するターゲット基板７ａ及び薄膜層７ｂの二層を含む核融合ターゲット材７を真空容器５中に配置し、薄膜層７ｂに向けて第１パルスレーザ光を照射することにより、薄膜層７ｂをターゲット基板７ａから剥離させることができる。その後、第１パルスレーザ光に連続する第２パルスレーザ光を所定時間間隔を空けて薄膜層７ｂに照射することによって、薄膜層７ｂから発生したイオンビームを所定距離離れたターゲット基板７ａに向けて十分加速することができるので、ターゲット基板７ａに高エネルギーのイオンビームを照射することができる。その結果、ターゲット基板７ａ内部において核融合反応を高効率で発生させることができ、その核融合反応に応じた中性子の発生効率も向上する。併せて、二層から成る核融合ターゲット材７を真空容器５内に配置する構成を採用することによって、従来のように大規模な加速器や原子炉を必要としないので、装置の小型化も容易となる。
　特に、本実施形態によれば、指向性を持ったイオンビームをターゲット材に十分加速させて衝突させて核融合を誘起させるので、低いレーザエネルギーの条件の場合、従来のレーザ光を用いた熱核融合に比較して、投入エネルギーに対してより多くの中性子を発生させることができ、高エネルギー効率を達成することができる。
　ここで、ターゲット基板７ａは、水素を含有する固体材料中の水素が重水素又は三重水素で置換されたものであるので、真空容器５内でのターゲット基板７ａの配置構造が簡略化されるとともに、ターゲット基板７ａへの薄膜層７ｂの積層も容易となる。さらに、薄膜層７ｂは、重水素又は三重水素を吸蔵した金属薄膜であるので、ターゲット基板７ａへの積層プロセスが容易となる。従って、全体として核融合ターゲット材７の製造工程及び核融合装置１への組み込み工程が単純化される。
　なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。核融合ターゲット材７の材料としては他の材料を使用することも可能である。
　例えば、ターゲット基板７ａとしては、重水（D2O又はT2O）を凍結して固体化した重水ブロックを使用しても良い。この場合、薄膜層７ｂを形成する際には、重水が溶けないように十分に温度管理された環境中で薄膜層７ｂを蒸着して形成する。また、核融合誘起のためのレーザ光を照射中も同様に温度管理された環境中で行う。
　また、薄膜層７ｂとしては、薄膜フィルム状の重水素置換ポリスチレン(C8D8)X等の固体材料中の水素が重水素又は三重水素で置換されたものを用い、ターゲット基板７ａ上にその薄膜フィルムを積層したものを使用しても良い。
　また、本実施形態の応用例として、イオン加速装置を実現することもできる。このイオン加速装置は、基本構成を核融合装置１と同様とし、核融合ターゲット材７のターゲット基板７ａの構成部材のみを変更する。すなわち、ターゲット基板７ａの材料を重水素や三重水素を含まない膜状部材、例えば膜厚約10μmの有機フィルムとし、この有機フィルム上に重水素吸蔵チタンである薄膜層７ｂを積層させたものをターゲット材として使用する。このようなイオン加速装置によれば、第１パルスレーザ光と第２パルスレーザ光を含むダブルパルスレーザ光をターゲット材に照射することにより、薄膜層７ｂから外部に向けて加速イオンを発生させることができる。
　ここで、第１のターゲット層は、水素を含有する固体材料中の水素が重水素又は三重水素で置換されたものである、ことが好適である。この場合、第１のターゲット層の配置構造が簡略化されるとともに、第２のターゲット層の積層も容易となる。
　また、第２のターゲット層は、重水素又は三重水素を吸蔵した金属薄膜である、ことも好適である。かかる構成を採れば、第１のターゲット層上への積層プロセスが容易となる。
　さらに、第２のターゲット層は、水素を含有する固体材料中の水素が重水素又は三重水素で置換されたものである、ことも好適である。かかる構成を採れば、第２のターゲット層の第１のターゲット層上への積層プロセスが容易となる。
　本発明は、レーザ光を利用する核融合ターゲット材、核融合装置、及び核融合方法を使用用途とし、核融合反応を比較的高効率で誘起させることができ、かつ、装置を小型化することができるものである。
　１…核融合装置、３…レーザ装置（レーザ光照射部）、５…真空容器、７…核融合ターゲット材、７ａ…ターゲット基板（第１のターゲット層）、７ｂ…薄膜層（第２のターゲット層）、P1…第１パルスレーザ光（第１のパルス光）、P2…第２パルスレーザ光（第２のパルス光）。

Claims (6)

  1. 　核融合反応を発生させるための核融合ターゲット材であって、
    　重水素又は三重水素を含有する第１の膜厚を有する第１のターゲット層と、
    　前記第１のターゲット層上に積層され、重水素又は三重水素を含有する前記第１の膜厚よりも薄い第２の膜厚を有する第２のターゲット層と、
    を備えることを特徴とする核融合ターゲット材。
  2. 　前記第１のターゲット層は、水素を含有する固体材料中の水素が重水素又は三重水素で置換されたものである、
    ことを特徴とする請求項１記載の核融合ターゲット材。
  3. 　前記第２のターゲット層は、重水素又は三重水素を吸蔵した金属薄膜である、
    ことを特徴とする請求項１又は２記載の核融合ターゲット材。
  4. 　前記第２のターゲット層は、水素を含有する固体材料中の水素が重水素又は三重水素で置換されたものである、
    ことを特徴とする請求項１又は２記載の核融合ターゲット材。
  5. 　請求項１～４のいずれか１項に記載の核融合ターゲット材と、
    　前記核融合ターゲット材を収納する真空容器と、
    　前記核融合ターゲット材の第２のターゲット層に向けて、連続した２つの第１及び第２のパルス光を含むレーザ光を照射するレーザ光照射部とを備え、
    　前記第１のパルス光の強度は、第２のパルス光の強度よりも小さく、かつ、前記第１のターゲット層から前記第２のターゲット層を剥離可能な値に設定されている、
    ことを特徴とする核融合装置。
  6. 　核融合反応を発生させるための核融合方法であって、
    　重水素又は三重水素を含有する第１の膜厚を有する第１のターゲット層と、前記第１のターゲット層上に積層され、重水素又は三重水素を含有する前記第１の膜厚よりも薄い第２の膜厚を有する第２のターゲット層とを有する核融合ターゲット材を、真空中に配置するステップと、
    　前記核融合ターゲット材の第２のターゲット層に向けて、連続した２つの第１及び第２のパルス光を含むレーザ光を照射するステップとを備え、
    　前記第１のパルス光の強度を、第２のパルス光の強度よりも小さく、かつ、前記第１のターゲット層から前記第２のターゲット層を剥離可能な値に設定する、
    ことを特徴とする核融合方法。
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Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101269098B1 (ko) 2011-12-23 2013-05-29 한국원자력연구원 레이저 유도 입자 발생을 위한 진공층을 가지는 이중층 타겟
FR2988897B1 (fr) * 2012-03-27 2014-05-09 Ecole Polytech Production d'energie par des reactions de fusion nucleaires aneutroniques initiees par lasers
JP5986476B2 (ja) * 2012-10-16 2016-09-06 浜松ホトニクス株式会社 レーザ核融合装置、及び、核融合生成方法
WO2014133623A2 (en) * 2012-12-13 2014-09-04 Lawrence Livermore National Security, Llc Fusion target projectile accelerator
FR3008822B1 (fr) * 2013-07-22 2015-09-18 Ecole Polytech Creation d'isotopes par faisceaux laser
CZ306319B6 (cs) * 2013-07-30 2016-11-30 Fyzikální Ústav Av Čr, V. V. I. Pevný terč pro nukleární fúzi, zařízení na vytváření nukleární fúze s tímto pevným terčem a způsob vytváření nukleární fúze na tomto zařízení
KR101623152B1 (ko) 2013-12-31 2016-05-23 한국원자력연구원 레이저 유도 입자 가속을 위한 필름 타겟 및 그 제작 방법
RU2018120536A (ru) * 2015-12-04 2020-01-09 Их Ип Холдингз Лимитед Способы и устройство для запуска экзотермических реакций
US10634811B2 (en) 2016-12-21 2020-04-28 Halliburton Energy Services, Inc. Downhole neutron generators and methods to generate neutrons in a downhole environment
CN108877960A (zh) * 2017-05-15 2018-11-23 陈鹏玮 Icf冷冻靶装置及icf屏蔽罩开启速度最优方法
US10462893B2 (en) 2017-06-05 2019-10-29 Neutron Therapeutics, Inc. Method and system for surface modification of substrate for ion beam target
NZ760149A (en) * 2017-06-05 2022-09-30 Takao Sakase Method and system for surface modification of substrate for ion beam target
RU2687289C1 (ru) * 2017-11-23 2019-05-13 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Устройство для крепления модуля бланкета на вакуумном корпусе термоядерного реактора
CN109326963B (zh) * 2018-10-11 2020-05-08 陈红婷 一种自由电子能量调控器
CN111050457A (zh) * 2019-12-27 2020-04-21 西京学院 一种基于激光诱导等离子体改进中子产率的装置及方法
CN112851990B (zh) * 2020-12-31 2022-01-28 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 一种浇注复合制备薄膜-泡沫双介质调制靶的方法
RU203062U1 (ru) * 2021-01-11 2021-03-22 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Устройство для крепления модуля бланкета на вакуумном корпусе термоядерного реактора
CN114566296A (zh) * 2022-03-31 2022-05-31 戴文韬 一种氢、氘、氚合金反应堆核聚变方法及其装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61139787A (ja) * 1984-12-13 1986-06-27 株式会社東芝 慣性閉じ込め核融合用燃料ペレツト
JPS62280685A (ja) * 1986-05-29 1987-12-05 株式会社東芝 慣性閉じ込め核融合用燃料ペレツト
JP2002107494A (ja) 2000-09-27 2002-04-10 Central Res Inst Of Electric Power Ind 核反応の誘起方法および核反応誘起装置

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2847331A (en) * 1954-12-24 1958-08-12 Robert W Ashley Hydrogen isotope targets
FR1584364A (ja) * 1968-08-08 1969-12-19
US3716491A (en) * 1969-07-09 1973-02-13 L Yannopoulos Yttrium-hydrogen isotope compositions for radiochemical reactions
JPS5124496A (ja) * 1974-08-24 1976-02-27 Makoto Imamura
JPH10253785A (ja) 1997-03-12 1998-09-25 Laser Gijutsu Sogo Kenkyusho 核融合反応発生方法及び装置
JP2002514740A (ja) 1998-05-06 2002-05-21 アメリカン テクノロジーズ グループ インコーポレイテッド 中性子及び他の粒子の生成方法及び装置
CA2325362A1 (en) * 2000-11-08 2002-05-08 Kirk Flippo Method and apparatus for high-energy generation and for inducing nuclear reactions
JP4116425B2 (ja) * 2002-12-27 2008-07-09 浜松ホトニクス株式会社 重陽子発生ターゲット及び重陽子発生ターゲット装置
CN101529998A (zh) * 2006-08-18 2009-09-09 统一重力股份有限公司 氢-锂聚变装置、方法和应用
CN101377962B (zh) * 2008-09-22 2012-07-04 中国科学院等离子体物理研究所 生产252Cf中子源的聚变驱动次临界系统及方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61139787A (ja) * 1984-12-13 1986-06-27 株式会社東芝 慣性閉じ込め核融合用燃料ペレツト
JPS62280685A (ja) * 1986-05-29 1987-12-05 株式会社東芝 慣性閉じ込め核融合用燃料ペレツト
JP2002107494A (ja) 2000-09-27 2002-04-10 Central Res Inst Of Electric Power Ind 核反応の誘起方法および核反応誘起装置

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
C-X PRETZLER ET AL.: "Physical Review E", vol. 58, July 1998, THE AMERICAN PHYSICAL SOCIETY, article "Neutron production by 200 mJ ultrashort laserpulses", pages: 1165 - 1168
KUNIOKI MIMA ET AL.: "Conceptual Design of Inertial Confinement Fusion Power Plant", JOURNAL OF PLASMA AND FUSION RESEARCH, vol. 70, no. 6, 30 April 1994 (1994-04-30), pages 612 - 622, XP008153655 *
U.KUBO ET AL.: "Development of a coating technique for inertial confinement fusion plastic targets", J.VAC.SCI.TECHNOL.A, vol. 4, no. 3, 23 January 1986 (1986-01-23), pages 1134 - 1137, XP008153606 *
YASUJI KOZAKI: "Inertial Fusion Reactor Design", JOURNAL OF PLASMA AND FUSION RESEARCH, vol. 74, no. 9, 5 August 1998 (1998-08-05), pages 952 - 956, XP008153653 *

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