JP6429232B2

JP6429232B2 - ミューオン−プラズモイド複合核融合炉

Info

Publication number: JP6429232B2
Application number: JP2014250765A
Authority: JP
Inventors: 朋彦浅井; 滋稲垣
Original assignee: Nihon University
Current assignee: Nihon University
Priority date: 2014-12-11
Filing date: 2014-12-11
Publication date: 2018-11-28
Anticipated expiration: 2034-12-11
Also published as: WO2016093324A1; JP2016114370A

Description

本発明は核融合炉に関し、特に、反応効率を高めた核融合炉に関する。

現存する核融合炉の方式は主に３種類あり、１つ目は高温プラズマの磁気閉じ込め方式でありトカマク方式、ステラレータ方式等である（例えば特許文献１）。２つ目はレーザ光等でターゲットを爆縮し高温高密度状態で短時間に反応を起こす慣性閉じ込め方式である。さらに３つ目はミューオンを用いたミューオン触媒方式である（例えば非特許文献１）。

水素や重水素のアイスペレットをターゲットとしたミューオン触媒核融合炉は、核物理や加速器科学の分野で研究が進められ、安定的に核融合反応を得られることが知られている。

特開２００９−１３９１５３号公報

Ｎ．Ｎａｋａｍｕｒａｅｔａｌ．「Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｏｆ３Ｈｅａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｏｎｍｕｏｎｃａｔａｌｙｚｅｄｆｕｓｉｏｎｉｎｔｈｅｓｏｌｉｄ／ｌｉｑｕｉｄＤＴｍｉｘｔｕｒｅｓ」ＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓＢ，Ｖｏｌｕｍｅ４６５，Ｉｓｓｕｅｓ１−４，２１Ｏｃｔｏｂｅｒ１９９９，Ｐａｇｅｓ７４−８０

磁気閉じ込め方式は、不安定性に伴うディスラプションや炉壁材料等、実用炉の実現には多くの課題がある。また、慣性封じ込め方式は、レーザ光の開発やエネルギ回収方法等において課題も多い。そして、ミューオン触媒方式は、安定的に核融合反応を得られることが知られているが、エネルギ生産効率としては１０倍以上のさらなる向上が必要であり、ミューオン生成効率のみで解決するのは困難であった。

本発明は、斯かる実情に鑑み、エネルギ生産効率を高めるためにミューオンの再活性化を行うことが可能なミューオン−プラズモイド複合核融合炉を提供しようとするものである。

上述した本発明の目的を達成するために、本発明によるミューオン−プラズモイド複合核融合炉は、核融合反応を起こすための標的容器と、標的容器に接続され、標的容器内に固体水素を入射し固体水素氷霧を形成するための固体水素氷霧発生源と、標的容器に接続され、磁化プラズモイドを発生すると共に標的容器内の固体水素氷霧中に磁化プラズモイドを移送し、固体−プラズマ複合領域を形成するためのプラズモイド発生源と、標的容器に接続され、固体−プラズマ複合領域にミューオンを入射し核反応を得るためのミューオン発生源と、を具備するものである。

ここで、固体水素氷霧発生源及びプラズモイド発生源は、生成される固体−プラズマ複合領域がミューオンの寿命に比べて長い時間維持されるように制御されるものであれば良い。

また、プラズモイド発生源は、磁化プラズモイドをプラズマの拡散又は緩和の時間スケールより速く、標的容器内の固体水素氷霧中に移送するものであれば良い。

また、ミューオン発生源は、固体水素氷霧が昇華する間にミューオンを入射するものであれば良い。

さらに、標的容器に接続され、核融合生成物を回収するためのエネルギ変換器を具備するものであっても良い。

また、プラズモイド発生源は、発生する磁化プラズモイドを閉じ込める磁場をガイド磁場として用いて核融合生成物をエネルギ変換器に誘導するものであっても良い。

本発明のミューオン−プラズモイド複合核融合炉には、ミューオンの再活性化を行うことが可能でありエネルギ生産効率が高まるという利点がある。

図１は、ミューオンの反応サイクルを説明するための概略模式図である。図２は、本発明のミューオン−プラズモイド複合核融合炉を説明するための概略側断面図である。

まず、ミューオンの反応サイクルについて説明する。図１に、ミューオンの反応サイクルを説明するための概略模式図を示す。ミューオンの反応サイクルにおいて、１つのミューオンが何回触媒として反応するかがエネルギ生産効率を決定する。即ち、エネルギ生産効率を支配する最大の因子は、触媒として作用したミューオンが、核融合生成されたα粒子と結合してαμとなり、反応サイクルから遁走する割合、即ち、α−付着率である。このαμは、数十ｅＶ程度のプラズマ中で電離することが知られており、これが固体水素中に再入射することで再度触媒として作用する。そこで、本発明では、固体水素の周囲を「ぬるい」プラズマが取り巻く状況を作り、これを標的としてミューオンを入射することを考えた。

以下、本発明を実施するための形態を図示例と共に説明する。図２は、本発明のミューオン−プラズモイド複合核融合炉を説明するための概略側断面図である。図示の通り、本発明のミューオン−プラズモイド複合核融合炉は、標的容器１０と、固体水素氷霧発生源２０と、プラズモイド発生源３０と、ミューオン発生源４０とから主に構成されている。

標的容器１０は、核融合反応を起こすための容器である。例えば真空容器であり、真空排気設備等により内部が真空に保たれるものである。また、核融合反応では放射線の発生を伴うため、放射線の遮蔽が可能な遮蔽材が用いられる。標的容器１０は、核融合炉でこれまで用いられているものや今後開発されるべきものを用いることが可能であり、特定の物には限定されない。

固体水素氷霧発生源２０は、標的容器１０に接続されるものである。そして、標的容器１０内に固体水素を入射し固体水素氷霧２１を形成するものである。固体水素氷霧２１は、固体水素を霧状に噴射することで、雲状に形成されたものである。固体水素氷霧発生源２０としては、例えば細かいペレット状に水素を冷却し、これを標的容器１０内に注入することが可能なものを用いれば良い。固体水素氷霧発生源２０としても、既存のものや今後開発されるべきものを用いることが可能である。

プラズモイド発生源３０は、標的容器１０に接続されるものである。そして、磁化プラズモイド３１を発生すると共に、標的容器１０内の固体水素氷霧２１中に移送し、固体−プラズマ複合領域３２を形成するものである。即ち、磁化プラズモイド３１を固体水素氷霧２１に向けて高速に移動させると、固体水素氷霧２１の周囲が「ぬるい」磁化プラズモイド３１で取り巻かれる領域である固体−プラズマ複合領域３２が形成される。具体的には、プラズモイド発生源３０は、磁化プラズモイド３１を、プラズマの拡散又は緩和の時間スケールより速く、標的容器１０内の固体水素氷霧２１中に移送する。これにより、プラズマが消える前に固体水素氷霧２１の周囲を磁化プラズモイド３１で取り巻くように制御して固体−プラズマ複合領域３２が形成される。また、生成される固体−プラズマ複合領域３２は、ミューオンの寿命に比べて長い時間維持されるように、固体水素氷霧発生源２０及びプラズモイド発生源３０により制御される。具体的には、ミューオンの寿命は約２μ秒であるため、これより有意に長い時間、例えば、数十μ秒程度、固体−プラズマ複合領域３２が維持されるように制御する。

このように、固体水素氷霧発生源２０及びプラズモイド発生源３０を用いることで、固体水素氷霧２１のような高密度で低温（例えば電子温度が２ｅＶ未満）の触媒反応領域と、それを取り巻く磁化プラズモイド３１のような比較的高温（例えば数十ｅＶ）の再活性化領域を同時に得られるようにする。

プラズモイド発生源３０としては、例えば磁場反転配位（ＦＲＣ：Ｆｉｅｌｄ−ＲｅｖｅｒｓｅｄＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）プラズマ発生装置等、既存のものや今後開発されるべきものを用いることが可能である。例えば、逆磁場シータピンチ型ＦＲＣ装置により生成された磁化プラズモイドを、磁場コイル（準定常磁場コイル）３５が作る外部磁場勾配により固体水素氷霧２１に向けて高速に閉じ込め部に移送すれば良い。

そして、ミューオン発生源４０は、標的容器１０に接続されるものである。ミューオン発生源４０は、固体−プラズマ複合領域３２にミューオン４１を入射するものである。具体的には、ミューオン発生源４０は、固体水素氷霧２１が昇華する間にミューオン４１を入射する。これにより、標的容器１０内で核反応が得られる。そして、触媒として作用したミューオン４１が、核融合生成されたα粒子と結合しαμとなるが、このαμが固体−プラズマ複合領域３２内で電離し、ミューオンが再度触媒として作用する。したがって、ミューオンの反応効率が上がり、エネルギ生産効率が高まることになる。ミューオン発生源４０としては、位相空間回転方式のものやイオン化冷却方式のもの等、既存のものや今後開発されるべきものを用いることが可能である。

このように、本発明のミューオン−プラズモイド複合核融合炉によれば、磁化プラズモイドによりミューオンの再活性化が可能となりミューオンが触媒として何度も作用するような領域を生成したことで、反応効率が上がるためエネルギ生産効率が高まる。

さらに、本発明のミューオン−プラズモイド複合核融合炉は、エネルギ回収にも都合が良い。即ち、プラズマを閉じ込める磁場をガイド磁場として用いることで、核融合反応生成物を移送することが可能である。例えば、核融合生成物を回収するためのエネルギ変換器を標的容器１０に接続することが可能である。発生した磁化プラズモイドを閉じ込める磁場をガイド磁場として用いて核融合生成物をエネルギ変換器に誘導する。このように、本発明のミューオン−プラズモイド複合核融合炉は、直接エネルギ変換器に核融合生成物を誘導することが可能となり、エネルギ回収システムとしての適合性も高い。

なお、本発明のミューオン−プラズモイド複合核融合炉は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１０標的容器
２０固体水素氷霧発生源
２１固体水素氷霧
３０プラズモイド発生源
３１磁化プラズモイド
３２固体−プラズマ複合領域
３５磁場コイル
４０ミューオン発生源
４１ミューオン

Claims

核融合反応を得るためのミューオン−プラズモイド複合核融合炉であって、該ミューオン−プラズモイド複合核融合炉は、
核融合反応を起こすための標的容器と、
前記標的容器に接続され、標的容器内に固体水素を入射し固体水素氷霧を形成するための固体水素氷霧発生源と、
前記標的容器に接続され、磁化プラズモイドを発生すると共に標的容器内の固体水素氷霧中に磁化プラズモイドを移送し、固体−プラズマ複合領域を形成するためのプラズモイド発生源と、
前記標的容器に接続され、固体−プラズマ複合領域にミューオンを入射し核反応を得るためのミューオン発生源と、
を具備することを特徴とするミューオン−プラズモイド複合核融合炉。
請求項１に記載のミューオン−プラズモイド複合核融合炉において、前記固体水素氷霧発生源及びプラズモイド発生源は、生成される固体−プラズマ複合領域がミューオンの寿命に比べて長い時間維持されるように制御されることを特徴とするミューオン−プラズモイド複合核融合炉。
請求項１又は請求項２に記載のミューオン−プラズモイド複合核融合炉において、前記プラズモイド発生源は、磁化プラズモイドをプラズマの拡散又は緩和の時間スケールより速く、標的容器内の固体水素氷霧中に移送することを特徴とするミューオン−プラズモイド複合核融合炉。
請求項１乃至請求項３の何れかに記載のミューオン−プラズモイド複合核融合炉において、前記ミューオン発生源は、固体水素氷霧が昇華する間にミューオンを入射することを特徴とするミューオン−プラズモイド複合核融合炉。
請求項１乃至請求項４の何れかに記載のミューオン−プラズモイド複合核融合炉であって、さらに、前記標的容器に接続され、核融合生成物を回収するためのエネルギ変換器を具備することを特徴とするミューオン−プラズモイド複合核融合炉。
請求項５に記載のミューオン−プラズモイド複合核融合炉において、前記プラズモイド発生源は、発生する磁化プラズモイドを閉じ込める磁場をガイド磁場として用いて核融合生成物をエネルギ変換器に誘導することを特徴とするミューオン−プラズモイド複合核融合炉。