(57)【要約】【課題】Ｔサイト内Ｄ-にＤ+が移動する確率を高くし、フェムトＤ２分子の振動運動を持続させることで常温核融合を安定的かつ再現性良く実現できる新規な常温核融合装置、発熱方法および発熱体を提供する。【解決手段】常温核融合はＴサイト内Ｄ-にＤ+が移動して（（１）、(２)）、そこでＤ２分子を形成し（（３））、そのＤ２分子が金属格子からの圧力で縮小されてフェムトＤ２分子に遷移する((３)、(４))。このフェムトＤ２分子の伸縮振動で核子間最短距離が狭くなり核融合する（（４）、（５））。本発明は、重水素ガスを吸蔵した水素吸蔵金属（１０１）の表面電位を対向電極（１０２）により制御し、金属表面（１０１ａ）の自由電子濃度を低下させることで、核子間クーロン引力の自由電子による遮蔽を低減し、かつフェムトＤ２分子の振動速度の低下を抑え、核融合の確率を高くする。【選択図】図１７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応炉内に、水素吸蔵金属からなる発熱体と、前記発熱体に対向して設けられ前記発熱体の表面電位を制御するための対向電極と、を有し、
重水素ガスを吸蔵した水素吸蔵金属の表面電位を前記対向電極により制御し、前記発熱体の表面に重水素イオンＤ＋あるいは重水素ガスを供給することで常温核融合を発生させ、前記発熱体を発熱させることを特徴とする常温核融合装置。
【請求項２】
前記対向電極に、前記水素吸蔵金属の表面で自由電子の濃度が低下する方向に低下させる電圧を印加することを特徴とする請求項１に記載の常温核融合装置。
【請求項３】
前記重水素イオンＤ＋あるいは重水素ガスを前記発熱体の表面に対して注入することを特徴とする請求項１または２に記載の常温核融合装置。
【請求項４】
重水素ガスを吸蔵した水素吸蔵金属の表面電位を制御し、
前記水素吸蔵金属の表面に重水素イオンＤ＋あるいは重水素ガスを供給することで常温核融合を発生させる発熱方法。
【請求項５】
前記水素吸蔵金属の表面で自由電子の濃度が低下する方向に低下させる請求項４に記載の発熱方法。
【請求項６】
前記重水素イオンＤ＋あるいは重水素ガスを前記発熱体の表面に対して注入することを特徴とする請求項４または５に記載の発熱方法。
【請求項７】
金属層上に形成され、当該金属層と電気的に接続された複数のナノ構造体からなり、前記ナノ構造体が水素吸蔵金属からなり、重水素ガスを吸蔵した前記ナノ構造体の表面電位を制御し、重水素イオンＤ−あるいは重水素ガスが供給されることで常温核融合を発生させる発熱体。
【請求項８】
前記複数のナノ構造体の各々が半球状のナノドームからなる請求項７に記載の発熱体。
【請求項９】
前記複数のナノ構造体の各々が円錐形状のナノコーンからなり、前記ナノコーンの先端部が半球状である請求項７に記載の発熱体。
【請求項１０】
前記発熱体の表面に前記重水素イオンＤ＋あるいは重水素ガスが注入されることを特徴とする請求項７−９のいずれか１項に記載の発熱体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は常温核融合装置、その発熱方法および発熱体に関する。
【背景技術】
【０００２】
フライシュマンとポンズ（Fleischmann and Pons）は、室温で核融合反応が発生するという衝撃的な論文を１９８９年３月に発表し世界中で注目を浴びたが、再現性の問題があり、当初、主流学会では認められなかった。それでも一部の研究者の地道な研究により現象の再現性が改善され、多くの実験事実の蓄積に基づいて、今では、常温核融合（Cold Fusion）や低エネルギ核反応（LENR：Low Energy Nuclear Reaction）等と呼ばれ、活発な研究が続けられている。
【０００３】
それにもかかわらず、常温核融合のメカニズムは解明されたとは言えず、理論的には昏迷状態が続いているのが現状である。これまでの実験結果から、重水素吸蔵率（Ｄ／Ｐｄ比）が体積平均で０．８５を超すと過剰熱が発生し、指数関数的に増大することが分かっており（非特許文献１）、このことから、常温核融合には水素吸蔵合金の重水素密度が一定以上が必要であり、また種々の実験で、表面反応であることや、特に表面のナノサイズの構造が非常に重要であると考えられている（非特許文献１、非特許文献２）。
【０００４】
たとえば、特許文献１には、パラジウム等の金属粒子のサイズを１ｎｍ以下にすると、水素吸収量が急激に増大することが記載されており、ナノサイズの金属粒子を重水素環境下で加圧することで過剰エンタルピーを発生させる方法が開示されている。
【０００５】
また、特許文献２によれば、支持体としてジルコニア（ Ｚ ｒ Ｏ ２ ） を用い、この支持体にパラジウム（Ｐｄ）ナノ超微粒子を埋め込み、重水素（ Ｄ ２ ） を注入の後、加圧によりこれを吸蔵させることで核融合反応体（超高密度重水素化ナノ粒子）を調製する；次いで衝撃エネルギを核融合反応体に加えることにより核融合反応を行い、多量の発熱とヘリウムとを生成させたことが記載されている。
【０００６】
さらに、特許文献３によれば、水素吸蔵金属の表面にナノサイズの複数の金属ナノ凸部を形成することで「トンネル核融合反応の発生確率が上昇する」と説明されている。さらに特許文献３によれば、ヒータで加熱した反応体に重水素ガスを供給することで、反応体表面にある「金属ナノ粒子内に水素原子が吸蔵され、当該金属ナノ粒子内の電子が周囲の金属原子や他の電子から強く影響を受けて重電子として作用し、その結果、金属ナノ粒子内での水素原子間の核間距離が縮み、トンネル核融合反応の起こる確率を上げる」と説明されている。
【０００７】
なお、一般に、「核融合」とは軽い元素同士が融合して重い元素に変換する発熱反応と定義されており、二重水素（Ｄ）と三重水素（Ｔ）とが反応するＤ−Ｔ反応、２つの二重水素が反応するＤ−Ｄ反応など種々の核融合反応が知られている。Ｄ−Ｄ反応では“灰”としてヘリウム（Ｈｅ）が生成されるが、Ｈｅが常温核融合で生成されるとする研究結果が出てきている（たとえば非特許文献３）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】「常温核融合」高橋亮人（電気学会雑誌、１９９３年１２月号、１１３巻、pp.1016-1026）
【非特許文献２】「展望  低エネルギー核反応による新しい核エネルギーへの期待」  田中栄一（Isotope  News  ２０１３年１月号  No.705、pp.13-18）
【非特許文献３】“Search for 4He Production from Pd/D2 Systems in Gas Phase” E. Botta et al.
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第９１８２３６５Ｂ２号明細書
【特許文献２】特開２００８−２６１８６８号公報
【特許文献３】国際公開第２０１５／００８８５９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記特許文献に開示されたナノ構造は、ナノサイズの金属粉体であったり、プロセス条件でたまたま発生した金属粒子であったりするものであり、実用上、常温核融合の再現性や性能向上における不安定要因となる。
【００１１】
また、特許文献３には、反応体を加熱することで「金属ナノ粒子内に水素原子が吸蔵され、・・・トンネル核融合反応の起こる確率を上げる」と説明されているが、水素吸蔵金属を加熱して常温核融合を制御性良く再現することはできないと考える。次に述べるように、常温核融合を発生させるには金属格子内に閉じ込められたフェムト水素分子の振動エネルギを高く維持することが重要である。しかしながら、加熱ではそのエネルギー分布が広いために十分な制御性が得られない。また、金属内には自由電子が存在するために、加熱だけではフェムト水素分子の振動エネルギを高く維持できない。後述するように、高エネルギの陽イオンＤ＋を直接金属表面に導入することが最適といえる。
【００１２】
以下、図１を参照しながら、本発明者が提案する常温核融合発生のメカニズムについて説明し、上記背景技術が常温核融合を安定的に再現できない理由について詳細に説明する。
【００１３】
１．常温核融合の原理的説明
本発明者は常温核融合が次のようなプロセスで発生すると考える。なお、図１に示す金属格子内のＴサイト、水素分子およびフェムト水素分子については後述する。
ａ）Ｄ＋とＤ−の接近
金属表面の膨張した格子内の空間（Ｔサイト）に陰イオンＤ−が入り、その近傍の陽イオン（Ｄの核子）Ｄ＋と結合して重水素分子Ｄ２を形成すること（図１（Ａ）および（Ｂ）参照）。
ｂ）フェムトＤ２分子の形成
膨張したＴサイトの金属格子が元のサイズに戻ろうとする応力を受けてＤ２が圧縮され、核子間が接近することで重水素分子Ｄ２がフェムト重水素分子（フェムトＤ２分子）に遷移する（図１（Ｃ）および（Ｄ）参照）。
ｃ）フェムトＤ２分子の伸縮運動
フェムトＤ２分子がＴサイト内の空間で安定的に伸縮振動する（図１（Ｅ）参照）。後述するように、Ｔサイト内接球の直径１Å、フェムト水素分子は大きさ６ｆｍ（femto meter）程度なので、フェムトＤ２分子はＴサイト内でほぼ自由振動をする。その伸縮運動により核子間距離が非常に狭くなる可能性が高くなる。
ｄ）核融合
フェムトＤ２分子の振動運動により核子間の最近接距離が十分狭くなったときに核融合を起こす（図１（Ｅ）および（Ｆ）参照）。
【００１４】
２．常温核融合のメカニズム
上記常温核融合のメカニズムについて、これまでの知見（参照文献１〜１４）を参照しながら詳細に説明する。なお、参照文献１〜１４は本項「発明が解決しようとする課題」の最後に列挙する。
【００１５】
２．１）水素原子の金属内での挙動
参照文献１によれば、パラジウム固体内に吸収された水素原子は金属格子の配列を乱すことなく格子中の間隙サイトを占める。たとえば、図２に示す面心立方格子（ｆｃｃ）には正四面体間隙サイト（以下、Ｔサイトという。）と正八面体間隙サイト（以下、Ｏサイトという。）とがあり、水素原子は安定状態ではより広いＯサイトを占め、それを経てＴサイトに水素イオンが導入されると考えられる。つまり、最初に、より広いサイトであるＯサイトに水素イオンが入り、周囲の原子を押し広げて結晶格子全体を膨張させる。そのために周囲のポテンシャルが変化して、このパラジウムと水素イオンの位置とその系のエネルギーが安定になるように水素イオンの位置が決定される。これが原因でＯサイトの水素イオンがＴサイトに入ることができるようになる。パラジウム格子内に侵入した水素原子は規則配列せずに固溶体を形成する。なお、最表面のＴサイトにはＤ２が金属表面で乖離し、そのまま表面のＴサイトに直接導入される経路もある。
【００１６】
参照文献２によれば、金属原子１個あたりのサイトの数は、ｆｃｃおよび最密六方格子（ｈｃｐ）ではＯサイトが１個、Ｔサイトが２個であり、体心立方格子（ｂｃｃ）ではＯサイトが３個、Ｔサイトが６個である。水素化物の規則構造については、一般的に水素−水素原子間距離が０．２ｎｍ以下にはならないという経験則に従うことが分かっており、通常はこれらのサイトの一部だけが占有されている。
【００１７】
以下、図面を簡略化するために、金属格子内のＴサイトの配置を図３のように模式的に示すものとする。すなわち、金属格子内のＴサイトを形成する格子を三角形で示す。
【００１８】
図４は、金属表面のＴサイトの配列を模式的に示したものである。後述するように、金属表面のＴサイトを占有する二重水素（デューテリウム: Ｄ）が本発明の主役である。
【００１９】
参照文献５によれば、金属中に存在する水素の電子状態については、完全に水素原子は電子を放しＨ＋状態になるというプロトンモデルと、逆に電子を余分に１個取り込みＨ−状態になるというアニオン・モデルの両者が従来は考えられていて、水素吸収による電気抵抗・帯磁率・電子比熱の変化などがその場に応じて都合のよい方のモデルによって説明されてきた。ところが、近年のSwitendickを開祖とする金属水素化物の電子構造の理論計算の結果によって、上記の２つのモデルはどちらも事実の一面だけを捕えていることに過ぎないことが判った。つまり金属中の水素はＨ−であったりＨ＋であったりという二面性を持つと考えられ、本発明者は、それらが同時に金属内に存在できると考える。この仮説が成り立たないと常温核融合は成立しないし、水素吸蔵金属中の水素の研究結果から考えると妥当な仮説だといえる。
【００２０】
図５に示すように、水素原子Ｈ０の半径を１×１０−１０ｍ＝１Åとすれば、負に帯電したヒドリドＨ−の半径は、電子がＥＦ以上の高いエネルギー準位を埋めているので、約２倍の２×１０−１０ｍ＝２Åとなる。言うまでもなく、図５は模式的に描かれており、実際には、水素原子核Ｈ＋の荷電半径Ｒが０．８７×１０−１５ｍ＝０．８７ｆｍであるから、Ｈ０の半径上の電子は水素原子核Ｈ＋の半径Ｒを基準にすれば９万倍近く離れた位置にある。ちなみに、水素分子Ｈ２の原子核間距離ｒ１は０．７４Åである。したがって、水素原子Ｈ０の半径１Åを考慮すれば、水素分子Ｈ２のサイズは〜２．７４Å、Ｄ２のサイズも〜２．７４Åとなる。
【００２１】
Ｔサイトのサイズは内接球が１Åなので、Ｔサイトには単一のＤが収納できる程度である。ここにＤ２分子が入ると、Ｄと同じ大きさになって核子間隔がゼロになるはずであるが、実際は核子間のクーロン斥力が非常に大きいためにそのようにはならない。通常の水素原子では、その核子間クーロン斥力が非常に高く、核子間をｆｍオーダまで接近させることは困難であることが参考文献８で示されている。
【００２２】
２．２）水素原子の深い電子軌道
通常の金属格子からの応力では、核子間クーロン斥力がその応力より勝るので、核融合は発生しない。しかしながら、核融合が発生するためには、この核子間クーロン斥力が何らかの理由で想定より小さいと考えざるを得ず、その理由があるはずである。そこで、水素原子の電子軌道計算の精度、クーロン斥力計算の精度に何らかの問題があると考えた。
【００２３】
特に、核間距離がｆｍオーダでのクーロン力の計算を考えると、クーロン力はｒ＝０で発散するのでｒ＝０近傍の精度が低いはずである。これに関して文献調査を行ったところ、水素原子には深い電子軌道が存在することが理論的に予言されており、その実証が従来の物理学での課題となっていること、その深い軌道が常温核融合の原因であると考える先行文献を発見した（参照文献１０、１１、１２など）。
【００２４】
核子間クーロン斥力の遮蔽は、水素原子の電子軌道がより深い軌道を持つと考えることで解決できる。核子間クーロン斥力遮蔽の観点から考えると、通常の水素分子では、その軌道電子の共有結合部分が核子間クーロン斥力を遮蔽する可能性はある。しかしながら、共有結合時の核子間距離が０．７４Å＝７．４ｘ１０−１1ｍ＝７４０００ｆｍの距離で、その軌道が１Å程度の範囲に広がっているとすれば、この核子間距離が数１０ｆｍ程度になると、その軌道の広がりが核子間以外の部分にまである。このために、核子間距離が狭くなると核子間に電子が存在しなくなり、その共有結合電子の遮蔽効果は高々数分の一程度の遮蔽効果となって核融合を起こすまでの遮蔽効果を期待できない。
【００２５】
これに対して水素原子の深い電子軌道を考慮に入れると、深い軌道に電子をもつフェムト原子でフェムト水素分子を構成すると考えることができる。すなわち、図５に示す水素分子およびフェムト水素分子のサイズを参照すると、電子雲の広がりも数ｆｍ程度の範囲なので、核子間クーロン斥力をほぼ完全に遮蔽するということが理解できる。以下、深い電子軌道に関する文献内容を説明する。
【００２６】
水素（ＨあるいはＤ）の原子核の周りには電子の深い軌道の存在が理論的に知られており（参照文献６および７）、その半径ｒ０は約１．４ｆｍであると計算されている。この深い電子軌道は、ＤＤＬ（Deep Dirac Level)、ＤＥＯ（Deep Electron Orbit）と略記されるが、本明細書ではＤＥＯと記すものとする。後述するように、本発明者はＤＥＯに遷移した電子が常温核融合の理解に必須であると考えるので、以下、深い電子軌道ＤＥＯについて図６および図７を参照して説明する。
【００２７】
上述したように、水素原子の電子軌道では深い軌道の存在が理論的に予測されていたが、水素原子の電子遷移スペクトルからはその軌道が実証されていなかったために深い軌道の存在は肯定はされていなかった。しかしながら、常温核融合が発生していることを考えると、この深い電子軌道の存在なしには常温核融合を説明できない。
【００２８】
図６を参照して、従来の量子力学的理論では、クーロンポテンシャルが核子間距離ｒに反比例するモデルを用いてシュレディンガー方程式を計算しており、ｒ＝０で特異点をもつ（図６の曲線５ａ・５ｂ）。常温核融合には核子間クーロン斥力遮蔽が必要であるという理論的前提では、約１５ｆｍまで核子間を接近させる必要があると計算されている。
【００２９】
ＤＥＯ理論は古くから、物理学会内で浮かんでは消えてゆくという過程を繰り返していたが、近年、ｒ＝０で特異点をもたない新たなモデルを採用することで新たな展開を見せ始めた（参照文献１３）。このモデルでは、クーロンポテンシャルが、陽子内は一定電荷を有するものとして計算され、陽子外は１／ｒに比例するとモデル化される（図６の曲線５ａ・５ｃ）。このモデルを用いて相対論的なシュレディンガー方程式を数値計算することで、上述した深い電子軌道ＤＥＯが算出される。具体的には、参照文献１２のTABLE  I.A（３１０ページ）に水素原子の相対論的シュレーディンガーレベルが計算されている。図７に示すように、参照文献１２のTABLE  I.Aには深い電子軌道ＤＥＯ１〜ＤＥＯ３の存在が計算結果として明らかに示されている。
【００３０】
ＤＥＯ理論が広く認められていないのは、その軌道が水素の電子軌道遷移のスぺクトルで発見されていないためであるが、参照文献１３では高出力レーザでその実験的な検証が計画されている。
【００３１】
２．３）ナノ金属粒子の水素吸蔵サイトの分析と「ナノ構造」の解釈
図８は金属格子内の２つの隣接するＴサイトにそれぞれＤ−とＤ＋とが入った状態を模式的に示している。パラジウムナノ粒子に吸蔵された重水素がＯサイトおよびＴサイトを占有するモデルについては参照文献３に記載されている。参照文献３では金属水素化物のナノサイズ化および表面効果の重要性が指摘されており、９７ページ「４．Ｐｄナノ粒子中の重水素原子位置」の項では、ナノ粒子のコア領域（内部領域）ではＯサイトのみ、シェル領域（外皮領域）ではＯサイトおよびＴサイトの両方にＤ原子が占有されるモデルが最も信頼性が高いと結論づけられている。また、このモデルによれば、吸蔵された重水素の約１／３はＴサイトを占有している。さらに、Ｄ原子（Ｔサイト）の原子変位パラメータＢＤ（Ｔ）が異常に大きい値（１４．１Å２）を示すのは、Ｔサイト（1/4, 1/4, 1/4）からわずかにずれた位置にいくつかの安定サイトがあり、Ｄ原子がこれらのサイト間でdisorderしているため、と推測されている。これらは、表面Ｔサイトが応力緩和しやすくその位置がずれることに対応していると考える。
【００３２】
参照文献２によれば、金属格子中に水素原子が１個入ると、隣接した水素原子と金属原子の間に斥力ポテンシャルが働き、全系のエネルギが高くなる。他方、金属原子が水素原子から遠方に押しやられる変位（格子の膨張）による基底エネルギーの減少と、ほぼ原子の変位の２乗に比例する格子歪みエネルギ増加とのバランスにより全系のエネルギを最小にする原子の変位が決まる。これにより、水素の固溶により水素原子周囲の金属原子が膨張する。膨張する体積の大きさは金属と格子間位置の種類によって異なるが、遷移金属であればほぼ一定で0.0026±0.0005nm３の範囲に入ることが分かっている。
【００３３】
上述したＤ−のサイズとＴサイトのサイズを考慮すると、Ｄ−がＴサイトに入りにくいが、実際は、金属表面では上側に金属原子がないために、ＴサイトにＤ−が入っても応力緩和が可能であり、そのため格子が膨張して空隙が広くなる。言い換えれば、格子の膨張による系のエネルギの増加が少ないので膨張幅が大きくなり、バルクよりも表面のＴサイトにＤ−が入りやすくなる。これが常温核融合が表面反応たる理由である。
【００３４】
しかしながら、Ｄ−が入ったＴサイトと隣接するＴサイトに同様のＤ−が入るとは考えにくい。Ｄ−が入って一方の格子が膨張すると、その隣接Ｔサイトは狭くなるからである。したがって、図８に示すように、隣接するＴサイトの一方に大きなＤ−が入ると、他方には小さなＤ＋が入りやすくなるはずである。隣接するＴサイトにＤ＋とＤ−が入ることで、ナノ構造における凝集系クラスタの元となる構造が形成される。特許文献３や学会の共通認識では、常温核融合は表面反応であり、核融合が発生している場合、ＳＥＭ（走査顕微鏡）観察では電極に凹凸が観察されている場合が大半であるから、これらの凹凸などの「ナノ構造」で核融合が発生していると認識されている。すなわち、正負（Ｄ＋とＤ−）の両方のイオンが隣接するＴサイトに存在すること、これが常温核融合を発生させる基本的な「ナノ構造」である。なお、ＯサイトのＤ＋が移動することも否定はしえないが、上記説明が可能性としては高いと考える。ここで核融合が起こるためには、Ｔサイト内のＤ２分子がフェムトＤ２分子に遷移することで発生する。
【００３５】
なお、凹凸などが製膜プロセスにおいて作成されたナノ構造を括弧付き、すなわち「ナノ構造」と記し、制御されたプロセスで作成したナノ構造を括弧なしで記して区別するものとする。
【００３６】
２．４）金属内の自由電子の影響
隣接するＴサイトにＤ＋とＤ−が入るとクーロン力により両者が引き合うので、たとえば熱励起によりポテンシャルを超えて小さなＤ＋が大きなＤ−側へ移動すれば核融合が発生する確率が高くなると考えられる。しかしながら、実際には、必ずしも、そのようにはならない。その理由は、金属内の自由電子の存在がクーロン力を遮蔽するように作用するからである。以下、金属内の自由電子の影響について図９を参照しながら説明する。
【００３７】
参照文献４によれば、金属を自由電子の海のように近似するジェリウムモデルを用いて、金属中に水素を入れた時のＨ−Ｈ間距離に対するエネルギの変化が図９のグラフで示されている。すなわち、電子密度が小さい（ｒｓが大きい）Ｎａでは２つのＨは結合状態であるが、電子密度が大きい（ｒｓが小さい）Ａｌでは２つのＨは全ての距離で反発しあい原子状になっている。この理由は、金属の伝導電子がＨ２分子の反結合軌道に入り、結合を切るからである。さらに、金属中ではプロトンの電荷がわずか０．６Åで遮蔽されることも記載されている。この理由は簡単で、その狭い空間には計算上、自由電子数はゼロになるからである。
【００３８】
このように、金属内の自由電子の存在はクーロン力を遮蔽するように作用するために、たとえ図８に示すように隣接するＴサイトにＤ＋とＤ−とがそれぞれ入ったとしても、Ｄ＋がＤ−側へ移動しにくいので、核融合を起こす確率は低下する。
【００３９】
本発明者は、以上の知見に基づいて、金属表面のナノ構造において常温核融合を生じさせるには、少なくとも金属表面の自由電子を減少させることが必要であると結論した。さらに、金属表面の自由電子は、後述するＤ−Ｄ間振動運動の抵抗力になるために、その速度が減速させる効果があり、核融合確率が低下する原因となりうる。この観点からも金属表面の自由電子を減少させることが必要であると結論した。
【００４０】
２．５）ホッピングによる水素イオンの移動
図８に示すように水素吸蔵金属の表面にＤ＋とＤ−がそれぞれ入った隣接Ｔサイトが生成されているものとする。この状態で、加熱によりＤ＋が熱励起すると、Ｄ＋はＤ−の存在する隣接Ｔサイトへホッピングにより移動する。これによりＴサイト内に閉じ込められたＤ＋とＤ−とが結合してＤ２ガス状の凝集系クラスタを形成する。
【００４１】
このように、Ｄ＋がＤ−の存在する隣接Ｔサイトへホッピングにより移動することが常温核融合に関する重要なパラメータである。このホッピング確率は、Ｄ＋とＤ−との間のクーロン引力がポテンシャル障壁を低下させることで高くなる。つまり、常温核融合を効率的に発生させるためには、このクーロン引力を大きくすることが重要である。しかしながら、従来の常温核融合炉では、金属表面に電子が誘導されて自由電子密度が金属表面で高くなる場合があり、この自由電子の存在がＤ＋とＤ−との間のクーロン引力を遮蔽して常温核融合確率が低くなるという課題があった。
【００４２】
２．６）共有結合によるＤ２分子の形成
図１０に模式的に示すように、Ｄ＋がＤ−の隣接Ｔサイトへホッピングすると、そのＴサイト内で接近して共有結合を形成する。
【００４３】
図１１において、Ｄ−にＤ＋が十分近くなると、Ｄ＋はＤ−のＳ核電子を共有する状態になり、Ｄ−とＤ＋との間の電子雲１を共有する共有結合的な構造となる。Ｄ＋の正電荷とＤ−の負電荷とを考えると、本来的に共有結合的な状態を取るはずである。すなわち、Ｄ−とＤ＋との間で共有結合によりＤ２分子が形成されると、その結合は引力２となり、Ｄ−とＤ＋との間に共有されている電子雲１は、両方の原子核に対して、水素原子核間のクーロン斥力に対するクーロン遮蔽の効果を発揮し、Ｄ−側の原子核にＤ＋の原子核が極めて近距離に接近するまで共有結合の軌道は維持される。
【００４４】
しかしながら、図５に示す水素分子（Ｈ２）のサイズから分かるように、核子間隔が数１０ｆｍ程度の接近すると、上述したように核子間の電子がなくなり、核子間クーロン斥力を十分に遮蔽できなくなる。そこで、本発明者は、核子間クーロン斥力の完全な遮蔽にはフェムトＤ２分子の存在が不可欠であると考えた。以下、本発明者による理論的考察を詳細に述べる。
【００４５】
２．７）フェムトＤ２分子の形成
従来では、上述した図６の曲線５ａおよび５ｂに示すように、静電的斥力は原子核距離が小さくなると急激に増大すると考えられてきた。たとえば、２個の原子核が融合するためには、トンネリングで核融合する可能性が高くなる程度の距離〜１０ｆｍ程度まで、クーロン力に逆らって２個の原子核を近づけなければならない。そのために必要なエネルギは０．１ＭｅＶ（１０５ｅＶ）程度である。このために、本発明者は、当初、プロトン同士の相互作用を全てｎ＝１軌道のクーロン遮蔽を行う方向で常温核融合の原理であると考察していた。なお、上述したように、曲線５ａ、５ｂはプロトンを点電荷として扱っているために、核子間距離ｒ＝０で発散してしまうが、核子内部が均一に帯電した球として扱うことで発散を回避できる。この結果が、図５の曲線５ｃである。
【００４６】
しかしながら、図５に示す水素分子（Ｈ２）のサイズから分かるように、ｎ＝１の電子軌道はÅ程度と非常に大きいために、核子間を１５ｆｍ程度まで接近させることはできない。したがって、より効率的に核子間クーロン斥力を遮蔽するためにはその電子分布がより小さく、ｆｍ程度になっている必要がある。この点について過去の研究結果を調査したところ、原子にはより深い軌道が存在する可能性があるという理論が議論されていることを発見した（参照文献１０、１１、１２）。このより深い軌道（DEO）がフェムト原子、フェムト分子の存在を理論的に示しており、その研究者等もフェムト原子が常温核融合の原因となっていることを主張している。
【００４７】
本発明者は、金属格子内のＴサイト内に閉じ込められたＤ２が常温核融合を起こすまでの過程を次のように考える。
ａ）  Ｔサイト内でＤ−とＤ＋とが共有結合的な状態（Ｄ２分子）になると、共有結合の性質上、核子間が引き合うような引力２が発生し、金属格子から圧縮応力を受けて縮小する。さらにＤＥＯの理論的考察から、距離数１０ｆｍ以内になると、電子がｎ＝１の軌道からＤＥＯ軌道（ｎ＝０）に遷移し、Ｄ２分子がフェムトＤ２分子に遷移する。
ｂ）  Ｔサイト内に閉じ込められたフェムトＤ２分子が伸縮振動することでｄ−ｄ間の距離が最短から最長の間で変化する。これにより、ｄ−ｄ間距離の最短時にトンネリングが発生し、それによって核融合が発生する確率が高くなる。
【００４８】
以下、金属格子のＴサイト内に閉じ込められたＤ−とＤ＋とがどのような力を受けて核融合に至るかを詳しく説明する。
【００４９】
＜金属格子からの圧縮応力＞
まず、Ｔサイトの金属格子は４個の金属原子に囲まれた立体構造を有し、その中にＤ−とＤ＋との共有結合Ｄ２が形成されているものとする。すでに述べたように、Ｔサイトの金属格子が膨張して、その中にＤ−が入っているので、金属原子が四面体の中心に向かって正四面体を縮小するような、変位の二乗に比例する復元力がＤ２にかかると考えられる。
【００５０】
そこで、図１２に示すように、Ｔサイト金属格子とそこから受ける圧縮方向の力を模式化して表すものとする。すなわち、４つの金属原子１１〜１４で囲まれたＴサイト１５内にＤ２が閉じ込められており、破線で示す金属原子１４は紙面に垂直方向の手前に位置する。図１２では、Ｄ２には３つの金属原子１１、１２および１３から３方向の圧力Ｆが掛っている様子が図示されている。
【００５１】
Ｔサイトはもともと内接球の直径が１Å（オングストローム）程度の狭い空間である。これに対してＴサイトを占有するＤ−のサイズは図５のＨ−が示すようにもともとの直径が４Å程度と大きい。したがって、Ｄ−はＴサイトの金属格子を押し広げた状態で占有していると考えられ、この状態で、上述したように、隣接ＴサイトからＤ＋が移動してＤ−に接近し共有結合Ｄ２を形成する。Ｄ２のサイズは図５のＨ２が示すようにほぼ１Å×２．７４Åであるから、Ｄ２もＴサイトの金属格子を押し広げた状態で占有していると考えられ、したがって金属格子から応力Ｆを受けているはずである。この応力Ｆが図１３に例示するようにＤ２を縮小する原因と考える。
【００５２】
図１３（Ａ）に示すように、Ｔサイトの異なる方向から圧力Ｆを受けることで、Ｄ２の核子間はクーロン斥力により反発しても物理的に圧縮される。すでに述べたように、金属格子中に水素原子が１個入ると隣接した水素原子と金属原子の間に斥力ポテンシャルが働くために、全系のエネルギが高くなる。格子の膨張による基底エネルギの減少と、ほぼ原子の変位の２乗に比例する格子歪みエネルギ増加のバランスとにより全系のエネルギを最小にする原子の変位が決まる。つまり、このシミュレーションで核子間ポテンシャルをいれて計算すると核子間距離がどの程度まで近くなるかを知ることができる。
【００５３】
図１３（Ｂ）に示すように、Ｔサイトの異なる方向から圧力Ｆを受けることでＤ２の核間距離は縮小する。より詳しくは、次のように説明することができる。図１３（Ａ）において、金属原子１１〜１４はＤ２に接近する方向に３次元的に縮小する。下側の３つの金属原子１１、１２および１３はそれぞれＤ２へ向けて縮小し、Ｄ２はその上に乗り上げる状態となるが、Ｄ２の上側にある金属原子１４もＤ２へ向けて移動するので、Ｄ２は上側への移動が妨げられる。これによりＤ２の核子間隔ｄ−ｄはＴサイト内で極めて小さくなる。
【００５４】
参照文献８によれば、一般的にはｄ−ｄ間隔は１５ｆｍ程度まで接近することが理論上要求されているが、金属内の応力でｄ−ｄ間隔をこの程度まで接近させることはできないとされている。なぜならば、この核子間斥力の値は概算で１ｘ１０−６Ｎであるが、Ｐｄ原子の弾性定数はこの値に比して２桁小さいからである。しかしながら、膨張したＴサイト内に封じ込められたＤ２分子は、上述したように共有結合が核子間クーロン斥力を遮蔽し、さらに次に述べるようにＤＥＯ電子の存在が核子間クーロン斥力を完璧に遮蔽する。これによりポテンシャルが小さくなり、ｄ−ｄ間距離１０ｆｍ程度まで容易に縮小すると考えられる。このように、膨張したＴサイトがもともとのサイズ（１Å）まで縮小すると、理論的にＤ２分子は図５に示す大きさのフェムトＤ２分子に遷移すると考えられる。
【００５５】
２．８）ＤＥＯ電子によるクーロン斥力の遮蔽
以下、図１４〜図１６を参照してＤＥＯ電子によるクーロン斥力の遮蔽について説明する。
【００５６】
参照文献１０、１１および１２によれば、水素原子（ＤあるいはＨ）の深い電子軌道が常温核融合の理解に重要であると指摘されている。また、上述したように、図７における参照文献１２のTABLE  I.A（３１０ページ）には深い電子軌道ＤＥＯの存在が計算結果として明らかに示されている。
【００５７】
通常、深い電子軌道に電子は存在しないが、参照文献７によれば、ＤＥＯに電子が入ると、安定的に留まることが示されている。図１４は参照文献７の１１ページにあるＦｉｇ．４と同じグラフである。図１４において、横軸は陽子（半径Ｒ＝０．８７ｆｍ）の中心からの距離（すなわち半径）ρであり、縦軸はエネルギである。図１４に示すように、ρ＞２６．５ｐｍのゾーンと１ｆｍ＜ρ＜２．８ｆｍのゾーンではポテンシャルエネルギが運動エネルギより大きくなっている。ＤＥＯは１ｆｍ＜ρ＜２．８ｆｍのゾーンにあるので、ＤＥＯに入った電子は安定的に留まることが分かる。すなわち、ＤＥＯに電子が遷移すると、図４で説明したように、半径約０．８７ｆｍの陽子は半径約１．４ｆｍのＤＥＯ電子に覆われ、ひとつの原子の構造（以下、フェムト原子という。）となる。参照文献６によれば、ＤＥＯ電子は光速に近い速度で移動しており、また陽子がＤＥＯ電子で覆われることで全体を一つの「中性子」のように扱うことができるので、ＤＥＯ電子はクーロン斥力を非常に効率よく遮蔽することができると指摘されている。このクーロン遮蔽は次のように説明することができる。
【００５８】
参照文献９によれば、空洞内に閉じ込められたＤ２分子は金属格子の振動により振動していると考えられ、空洞内の振動が図１５に示すようにモデル化されている。狭い空洞内では、図１５の矢印で示す伸縮振動成分のみが発生し、縮んだときにｄ−ｄ間隔が一定値より狭くなり得る。空洞を形成する金属原子の重量はＤと比べて大きいので、金属格子に振動エネルギが散逸するには長時間を要する。したがって、狭い空洞内で振動運動が継続し、それによってｄ−ｄ間隔が小さくなる回数が多くなる。
【００５９】
図１６に模式的に示すように、Ｔサイト内に閉じ込められたＤ２分子が振動し、それぞれの核子が接近するものとする。参照文献６によれば、核子が接近すると、ＤＥＯに遷移した電子が系全体のエネルギを最小にするように再分布する。すなわち、２つの陽子の向かい合った側でそれぞれのＤＥＯ電子の密度が大きくなり、さらに、参照文献７で導出されているように距離が２．８ｆｍより小さくなるとフェムト原子の共有結合状態が形成されると考えられる。このようにフェムトＤ２分子が形成されると、図１１で説明したメカニズムにより核子間クーロン斥力の遮蔽効果が顕著に現れる。こうしてＤＥＯ電子によりクーロン斥力が完全に遮蔽される。
【００６０】
２．９）フェムトＤ２分子の伸縮振動
フェムトＤ２分子は、図５に示すように、その幅が６ｆｍ（６ｘ１０−１５ｍ）程度に小さくなる。Ｔサイトの大きさは１Å（１０−１０ｍ）程度なので、フェムトＤ２分子はＴサイトに比較して遙かに小さい。したがって、フェムトＤ２分子に遷移した後は、フェムトＤ２分子の振動運動のエネルギが高くなるに従ってｄ−ｄ間の最接近距離が小さくなり、その最接近状態が伸縮振動により複数回繰り返されることとなる。ＤＥＯ電子によりクーロン斥力が完全に遮蔽されているので、図６の曲線５ｄに示すように、従来の説明より遙かに小さなエネルギを与えることで核子間がトンネリングするほどに近接することができ、その結果、核融合発生の確率が大幅に向上する。
【００６１】
したがって、核融合の発生確率を高くするには、Ｄ２分子の振動エネルギを高くすることが好ましい。そのために、Ｄ＋をイオン注入で導入すると核融合確率が高くなるという利点がある。特許文献３に記載されたような基板温度を上昇させる方法では振動エネルギを高くすることに限界があり、核融合の発生確率を十分に高くすることができなかった。
【００６２】
基板温度を高くしてホッピングを起こす場合は、そのＤ＋のエネルギが熱分布に従うために、高エネルギのＤ＋の割合が小さく、大部分が低エネルギのＤ＋である。このためにフェムト水素分子の運動エネルギーが低い値に分布して、核子間間隔が十分狭くなるまでのエネルギに達しにくく、核融合を起こす確率が低くなる。つまり高エネルギＤ＋を直接金属表面に導入するイオン注入法が最適といえる。
【００６３】
３．常温核融合発生のプロセス
以上まとめると、図５に示すフェムト水素分子については、ＤＥＯの理論的考察から、核子間隔が数１０ｆｍ以内に近接すると、電子がｎ＝１軌道からＤＥＯ軌道（ｎ＝０）に遷移する。さらに、参照文献７に理論的に導出されているように、核子間が２．８ｆｍより小さくなると、水素分子からフェムト水素分子へ遷移すると考えられる。この理論的考察は自由なフェムト水素分子についてだが、実際にはＤ−イオンで拡張したＴサイトにＤ＋が入って、そこで水素分子を形成し振動運動する。そのＴサイトは本来のサイズ（内接径〜１Å）まで縮小する応力があり、その縮小応力が水素分子間の斥力よりは高い範囲で水素分子は縮小される。これによって、Ｔサイト内のＤ２分子がフェムトＤ２分子に遷移する。
【００６４】
フェムトＤ２分子はＴサイトの本来のサイズ（〜１Å）よりも小さく、Ｔサイト内で安定した振動運動をする。この振動運動が大きな場合に核子間がトンネリングするほど近接し核融合が発生するので、そのフェムトクラスタ分子の運動エネルギが高いことが重要である。
【００６５】
４．課題
以上詳細に説明したように、常温核融合を発生させるには、
・Ｄ−とＤ＋とを金属格子内の狭い空間（Ｔサイト）に閉じ込めること、
・Ｔサイトの縮小によりＤ２分子がフェムトＤ２分子へ遷移すること、
・Ｔサイト内でフェムトＤ２分子の振動エネルギが高く維持されること、
が重要であり、特に核融合発生確率を高くするにはフェムトＤ２分子の振動エネルギを高く維持することが重要である。
【００６６】
しかしながら、上述したように金属内には自由電子が存在するために、Ｔサイト内でフェムトＤ２分子の振動エネルギを十分に高く維持することができない。特許文献３に記載された加熱方法では振動エネルギを十分に高く維持するには制限がある上に、エネルギ分布が広いために十分な制御性が得られない難点がある。
【００６７】
また、核融合を継続的・安定的に発生させるためには、水素分子、水素イオンの濃度を一定値以上に保つ必要がある。しかしながら従来例では基板温度が数百度と高いために水素分子、水素イオンが外方拡散する。そこで、従来例では水素吸蔵金属内の水素濃度を一定値以上に保持するために真空チャンバにガス状態の水素で供給しており、基板面での濃度分布、温度分布を補正できないという課題があった。
【００６８】
そこで、本発明の目的は常温核融合を安定的かつ再現性良く実現できる新規な常温核融合装置、発熱方法および発熱体を提供することにある。
【００６９】
＜参照文献＞
（１）「パラジウムによる水素吸収と水素化反応」有賀哲也（日本表面科学会誌「表面科学」Vol.27, No.6, pp.341-347, 2006、公益社団法人  日本表面科学会発行）
（２）「中性子散乱による原子・分子のダイナミクスの観測」大友季哉、池田一貴（日本アイソトープ協会学術誌「RADIOISOTOPES」Vol.63, No.10, pp.489-500, Oct 2014、公益社団法人  日本アイソトープ協会発行）
（３）「パラジウムナノ粒子の特異な水素吸蔵」秋葉宙、古府麻衣子、山室修（日本中性子科学会誌「波紋」Vol.27, No.3, pp.95-98, 2017、日本中性子科学会発行）
（４）「金属における吸着水素と吸蔵水素の電子状態と反応性」福西快文、波田雅彦、中辻博（触媒学会会誌「触媒(Catalysits and Catalysis)」 Vol.33, No.4, pp.270-277, 1991、一般社団法人  触媒学会発行）
（５）「金属水素化物の応用物性」山口益弘（水素エネルギー協会（ＨＥＳＳ）協会誌「水素エネルギーシステム」1986 vol.11, No.2, pp.30-41）
（６）A. Meulenberg and K.P. Sinha,“Deep-electron Orbits in Cold Fusion”  Journal of Condensed Matter Nuclear Science 13 (2014) pp. 368-377
（７）Jean-Luc Paillet and Andrew Meulenberg,“Highly relativistic deep electrons and the Dirac equation”(22nd International Conference on Condensed Matter Science ICCF-22, at Assisi (Italy), September 8-13, 2019)
（８）「「常温核融合」昨今」深井  有（日本物理学会誌 Vol. 48, No. 5, 1993, pp.354-360）
（９）Jozsef Garai “Physical Model for Lattice Assisted Nuclear Reactions”
(https://vixra.org/pdf/1901.0262v2.pdf) 
（１０）J. L. Paillet and A. Meulenberg, “Relativity and Electron Deep Orbits of the Hydrogen Atom” Journal of Condensed Matter Nuclear Science 21 (2016) pp. 40-58
（１１）J. L. Paillet and A. Meulenberg, “Arguments for the Anomalous Solutions of the Dirac Equations”Journal of Condensed Matter Nuclear Science 18 (2016) pp. 50-75
（１２）Jaromir A. Maly and Jaroslav Vavra,“Electron Transitions on Deep Dirac Levels I”FUSION TECHNOLOGY Vo. 24, Nov. 1993, pp. 307-318
（１３）Andrew Meulenberg and Jean-Luc Paillet“Nature of the Deep-Dirac Levels” Journal of Condensed Matter Nuclear Science 19 (2016) pp. 192-201
（１４）X.P.Zhang, C.B. Fu and D.C.Dai“Experimentally Study the Deep Dirac Levels with High-Intensity Lasers” Nuclear Experiment (arXiv:1703.07837 Submitted on 22 Mar 2017 (v1), last revised 24 Mar 2017 (this version, v2))
【課題を解決するための手段】
【００７０】
本発明の第１の形態によれば、常温核融合装置が、反応炉内に水素吸蔵金属からなる発熱体と前記発熱体に対向して設けられ前記発熱体の表面電位を制御するための対向電極とを有し、重水素ガスを吸蔵した水素吸蔵金属の表面電位を前記対向電極により制御し、前記発熱体の表面に重水素イオンＤ＋あるいは重水素ガスを供給することで常温核融合を発生させ、前記発熱体を発熱させる。
本発明の第２の形態によれば、発熱方法が、重水素ガスを吸蔵した水素吸蔵金属の表面電位を制御し、前記水素吸蔵金属の表面に重水素イオンＤ＋あるいは重水素ガスを供給する、ことで常温核融合を発生させる。
本発明の第３の形態によれば、発熱体が、金属層上に形成され、当該金属層と電気的に接続された複数のナノ構造体からなり、前記ナノ構造体が水素吸蔵金属からなり、重水素ガスを吸蔵した前記ナノ構造体の表面電位を制御し、重水素イオンＤ−あるいは重水素ガスが供給されることで常温核融合を発生させる。
本発明の上記第１〜第３形態によれば、発熱体あるいは水素吸蔵金属の表面電位を制御することで、吸蔵された重水素イオンＤ−と供給された重水素イオンＤ＋との結合を容易にし、核融合の確率を向上させることができる。
特に、水素吸蔵金属の表面電位を表面電子濃度が低下する方向に低下させることが望ましい。これによって、Ｄ−とＤ＋との結合を容易にし、結合されたＤ２分子の振動およびフェムトＤ２分子の振動を高いエネルギで持続させて核融合の確率を高めることができる。
さらに、重水素イオンＤ＋あるいは重水素ガスを発熱体の表面に対して注入することが望ましい。重水素イオンＤ＋の注入エネルギーを調節することで、そのＴサイト内Ｄ２分子、フェムトＤ２分子の振動エネルギを高く設定することができ、核融合の確率をさらに高めることができる。
【発明の効果】
【００７１】
以上述べたように、本発明によれば、発熱体あるいは水素吸蔵金属の表面電位を制御することで常温核融合の発生確率を向上させることができ、常温核融合を連続的、安定的かつ再現性良く実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】金属格子内で発生する常温核融合の過程を説明するための模式的状態遷移図である。
【図２】金属格子におけるＯサイトおよびＴサイトを示す図である。
【図３】図２に例示するＴサイトの配置を模式的に示す図である。
【図４】金属表面における金属格子中のＴサイトの配列を模式的に示す図である。
【図５】水素、水素イオンおよび水素分子のサイズを模式的に示す図である。
【図６】核子間距離と核子間で働く力との関係を模式的に示すグラフである。
【図７】水素原子に対する相対論的シュレディンガー方程式とディラック方程式の計算結果であって、相対論的シュレディンガーレベルのなかに深い電子軌道（ＤＥＯ）の存在を示すテーブルである。
【図８】金属表面における金属格子中のＴサイトに二重水素が入った状態を模式的に示す図である。
【図９】自由水素とジェリウムモデルでの水素における水素間距離に対する結合エネルギの変化を示すグラフである。
【図１０】二重水素の陽イオン（Ｄ＋）が陰イオン（Ｄ−）のある隣接Ｔサイトに引き込まれてＤ２分子を形成する過程を模式的に示す図である。
【図１１】二重水素の陰イオン（Ｄ−）に陽イオン（Ｄ＋）が引き込まれる様子を模式的に示す図である。
【図１２】Ｔサイトの金属格子とその間の二重水素に働く力を模式的に示す図である。
【図１３】Ｔサイトの金属格子に挟まれた二重水素を模式的に示す図（Ａ）と、二重水素に働く力によりＴサイトに入った二重水素が縮小された状態を模式的に示す図（Ｂ）である。
【図１４】半径ρに対する運動エネルギおよびポテンシャルエネルギの変化を示すグラフである。
【図１５】ＴサイトのＤ−にＤ＋が注入されて二重結合の状態Ｄ２を形成した時のサイト内での振動状態を説明するための模式図である。
【図１６】ＤＥＯの存在によりクーロン遮蔽が有効になることを説明するための電子分布の変化を示す図である。
【図１７】本発明の第１実施形態による常温核融合装置の概略的構成と常温核融合発生過程を説明する模式図である。
【図１８】図１７において金属表面を正電位にした場合の金属表面の状態を説明する模式図である。
【図１９】図１７において金属表面を負電位にした場合の金属表面のＴサイトでの二重水素イオン（Ｄ＋）の移動を説明する模式図である。
【図２０】本発明の第２実施形態による常温核融合装置の概略的構成と金属表面のＴサイトの状態を説明する模式図である。
【図２１】図２０に示す常温核融合装置におけるＤ＋の注入による常温核融合の発生を説明するためのＴサイトの模式図である。
【図２２】図２０に示す常温核融合装置におけるＤ２ガスを吹き付けることで常温核融合の発生を説明するためのＴサイトの模式図である。
【図２３】Ｄ＋の注入法による常温核融合の過程を模式的に示す図である。
【図２４】本発明の第１実施例による常温核融合装置の概略的構成を示す図である。
【図２５】図２４に例示する発熱体における体積膨張のメカニズムを説明するための模式的断面図である。
【図２６】本発明の第２実施例による常温核融合装置の概略的構成図である。
【図２７】本発明の第３実施例による常温核融合装置の概略的構成図である。
【図２８】本発明の第４実施例による常温核融合装置における発熱体の構造を模式的に示す図である。
【図２９】図２８に示す発熱体の製造方法を示す工程図である。
【図３０】図２９に続く発熱体の製造方法を示す工程図である。
【図３１】本発明の第３または第４実施例による常温核融合装置の概略的構成を示す図である。
【図３２】本発明の第５実施例による常温核融合装置の概略的構成図である。
【図３３】本発明の第６実施例による常温核融合装置を用いたシステムの一例を概略的に示す図である。
【図３４】図３３に示す発熱体の構造の一例を模式的に示す図である。
【図３５】図３３に示す常温核融合装置の構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００７３】
本発明の実施形態によれば、水素吸蔵金属の表面電位を制御することで、金属格子内の狭い空間（内接球の直径が〜１Å程度）内でＤ−とＤ＋とを結合させたＤ２分子の振動運動を維持することにより、水素吸蔵金属の表面で常温核融合を安定的に生じさせることができる。上述した考察に基づけば、以下の条件を満たすことで常温核融合を高い確率で生起させることができる。なお、金属格子内の狭い空間としては図３に示すＴサイトが典型例であるが、これに限定されるものではなく、同程度の大きさの金属格子内の空間であってＤ−を吸蔵して膨張しＤ２分子を縮小させる力が働く金属格子の空間であればよい。
【００７４】
（１）発熱体の金属表面がナノ構造あるいは「ナノ構造」であること。これによりＤ−がＴサイトに入りやすくなる。金属の表面ナノ構造において、Ｄの充填率が高い場合に常温核融合が起きる。つまり上述したようにＤ−がＴサイトに入っている場合に起きる。たとえば水素吸蔵金属がパラジウムＰｄの場合、重水素吸蔵率（Ｄ／Ｐｄ比）が０．８５を超すと発生する。ナノ粒子の場合はバルクの割合が小さく早期に重水素吸蔵率（Ｄ／Ｐｄ比）が高くなる。
（２）金属表面の電位制御により、少なくとも金属表面の自由電子を減少させること。ただし、金属表面の電位を正確に制御するには、金属表面が成膜プロセスで自然に形成される「ナノ構造」ではなく、制御されたナノ構造であることが望ましい。
（３）Ｄ−が存在するＴサイト内にＤ＋を供給すること。これによりＴサイト内に重水素分子Ｄ２を閉じ込め、Ｔサイトの縮小によってＤ２分子をフェムトＤ２分子に遷移させる。
（４）Ｔサイト内でフェムトＤ２分子が伸縮振動すること。これによりフェムトＤ２分子の核子間が周期的に接近して核融合の確率が向上する。すでに説明したように、フェムト陽子は、そのＤＥＯ軌道が非常に深いので（すなわちプロトン表面のｆｍオーダの近傍なので）、クーロン斥力遮蔽がほぼ完璧となり、実質的には中性子として扱える。したがって、このときのｄ−ｄ間のＤＥＯ電子が核子間クーロン斥力を遮蔽し、核融合の発生確率を向上させると考えられる。図６のグラフを参照すれば、ｄ−ｄ間のＤＥＯ電子が核子間クーロン斥力を遮蔽することで、曲線５ｄに示すように、核子間距離ｄ−ｄが２．８ｆｍ以下になってもクーロン斥力が抑制され、より小さなエネルギで核融合が発生し得る。
【００７５】
Ｔサイト内でのフェムトＤ２分子の伸縮振動のエネルギは、Ｄ＋のイオン加速手段による運動エネルギにより制御可能である。上述したように、加熱による熱励起方法は十分な伸縮運動を生起させることができないので、イオン加速手段による方法が有利である。以下、本発明の実施形態および実施例について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００７６】
１．第１実施形態
本発明の第１実施形態によれば、水素吸蔵金属の表面電位を制御して少なくとも金属表面の自由電子の濃度を低下させることにより常温核融合を安定して効率的に発生させることができる。
【００７７】
１．１）構成
図１７に例示するように、本発明の第１実施形態による常温核融合装置１００は、発熱体としての水素吸蔵金属１０１と、水素吸蔵金属１０１に対して所定距離ｇを隔てて設けられた表面電位制御用の対向電極１０２と、水素吸蔵金属１０１に対して対向電極１０２が負電位となる電圧を印加する直流電源１０３と、を有し、水素吸蔵金属１０１が支持基板１０４上に積層されているものとする。また、水素吸蔵金属１０１の少なくとも表面を所定温度まで加熱する加熱手段としてヒータ１０５が設けられている。
【００７８】
水素吸蔵金属１０１の表面１０１ａはナノ構造を有し、水素吸蔵金属としては、種々の材料、たとえばパラジウムＰｄ、ニッケルＮｉ等を用いることができる。
【００７９】
続いて、真空装置内に重水素ガスを流し、水素吸蔵金属１０１に重水素を吸蔵させる。これにより、上述したように水素吸蔵金属１０１の表面ナノ構造にＤ＋とＤ−がそれぞれ入った隣接Ｔサイトが生成される。この状態で、対向電極１０２に対して水素吸蔵金属１０１より低い電圧を印加するとともに、水素吸蔵金属１０１を所定温度まで加熱する。加熱温度は、水素吸蔵金属１０１の種類により異なるが、少なくとも３００℃以上、好ましくは５００℃以上、さらに好ましくは６００℃以上である。
【００８０】
対向電極１０２に負電圧を印加することで、金属内の自由電子が水素吸蔵金属１０１の表面側からバルク側へ移動し、水素吸蔵金属１０１の表面１０１ａのナノ構造において電子の濃度が低下する。それに伴いＤ＋とＤ−との間のクーロン力を遮蔽する効果も低下するので、Ｔサイトを占有しているＤ＋は熱励起により隣接するＴサイトのＤ−へ容易に移動することができる。
【００８１】
ＴサイトにＤ＋とＤ−が入ることで、図１で説明したメカニズムにより共有結合を通して核融合が発生すると考えられる。この核融合により、供給されたエネルギ（たとえばヒータ１０５および電源１０３により供給されたエネルギなど）を超える熱エネルギが発生すると考えられる。
【００８２】
１．２）表面電位制御
まず、比較例として図１８を参照し、対向電極１０２を正電位にして対向電極１０２から水素吸蔵金属１０１の表面（ナノ構造）１０１ａへ向かう電界Ｅを印加した場合を説明する。この場合、図１８に示すように、金属内の自由電子は表面側へ移動し、隣接するＴサイト間も自由電子１０１ｂに満たされた状態となる。これにより、金属１０１の表面近傍の電子濃度がバルク内より大幅に高くなり、隣接するＴサイトを占有するＤ＋とＤ−との間のクーロン力が遮蔽される。参照文献４によれば、金属中ではプロトン間の距離がわずか０．６Åでクーロン力が遮蔽されるので、対向電極１０２に正電圧を印加した場合、Ｄ＋が隣接するＴサイトのＤ−へ移動する確率は極めて小さくなる。
【００８３】
これに対して、図１９に示すように、対向電極１０２の負電位にして水素吸蔵金属１０１の表面ナノ構造から対向電極１０２へ向かう電界Ｅを印加した場合、金属内の自由電子が水素吸蔵金属１０１の表面側からバルク側へ移動する。これにより、金属１０１の表面近傍のナノ構造の電子濃度がバルク内より大幅に低くなり、自由電子のクーロン引力の遮蔽効果が小さくなり、隣接するＴサイトを占有するＤ＋とＤ−との間のクーロン力が十分大きくなる。本実施形態では水素吸蔵金属１０１は所定温度に加熱されているので、熱励起されたＤ＋がＴサイト間の電位障壁をポッピングして隣接ＴサイトのＤ−へ移動する確率が高くなり、それによって常温核融合の発生確率を高くすることができる。
【００８４】
１．３）効果
本実施形態によれば、発熱体表面の電位を制御して自由電子の濃度を低下させることでクーロン引力遮蔽を低減でき、それによって熱励起によりＤ＋が隣接ＴサイトへホッピングしてＤ−と結合しやすくなり、Ｔサイト内にＤ２ガスを効率的に封じ込めることができる。すでに述べたように、Ｔサイト内のフェムト水素分子の伸縮運動において、核子間の距離が最接近した時の距離が核融合可能な位置まで縮まると核融合が生じると考えられる。ここで、フェムト水素分子の周辺に自由電子が存在すると、自由電子がフェムト水素分子の運動の抵抗となり、徐々に運動速度が低下して最接近時の間隔が遠ざかる。これに対して、Ｔサイト内のフェムト水素分子の振動が長期で継続すると、振動による核子間の最接近回数が多くなり、それによって核子間距離が核融合可能距離まで接近する確率も大きくなる。したがって、フェムト水素分子周辺の自由電子濃度を低減することは、常温核融合の発生確率を上げることになるという利点がある。
【００８５】
２．第２実施形態
本発明の第２実施形態によれば、金属表面のＤ−が入ったＴサイトへ外部からＤ＋を注入することで常温核融合を安定して効率的に発生させることができる。以下、Ｄ＋の注入をトリガとする常温核融合装置および方法について詳細に説明する。
【００８６】
２．１）構成
図２０に例示するように、本発明の第２実施形態による常温核融合装置２００は、第１実施形態と同様に、発熱体としての水素吸蔵金属１０１と、水素吸蔵金属１０１に対して所定距離ｇを隔てて設けられた表面電位制御用の対向電極１０２と、水素吸蔵金属１０１に対して対向電極１０２が負電位となる電圧を印加する直流電源１０３と、を有する。  水素吸蔵金属１０１の表面１０１ａはナノ構造を有し、水素吸蔵金属としては、種々の材料、たとえばパラジウムＰｄ、ニッケルＮｉ等を用いることができる。水素吸蔵金属１０１のナノ構造は、後述する既存の方法で形成することができる。より詳しい製法は後述する。
【００８７】
図２１に例示するように、真空装置内に重水素ガスを流し、これにより水素吸蔵金属１０１の表面１０１ａのＴサイトにＤ−が吸蔵されているものとする。続いて、対向電極１０２に負電圧を印加することで、金属内の自由電子を水素吸蔵金属１０１の表面側からバルク側へ移動させ、水素吸蔵金属１０１の表面１０１ａのナノ構造での電子の濃度を低下させる。この状態で、重水素イオンＤ＋のビームを所定のエネルギ以上となる速度で水素吸蔵金属１０１の表面１０１ａに注入する。Ｄ＋の注入エネルギは、参照文献８によれば、少なくとも数ｋｅＶであればよい。
【００８８】
金属中の荷電粒子の運動は伝導電子と相互作用してエネルギを失うので、数ｋｅＶ以上で注入されたＤ＋がＤ−のあるＴサイトに入ってＤ２を形成し、さらに上述したフェムトＤ２分子の伸縮振動を継続するには、対向電極１０２を負電位にすることで水素吸蔵金属１０１の表面１０１ａの電子濃度を低下させることが必要である。
【００８９】
図２２に例示するように、重水素イオンＤ＋のイオンビームではなくＤ２ガスを用いることもできる。Ｄ２ガスを表面１０１ａに吹き付けることで同様に室温核融合を発生させることができる。この場合、吹き付けられたＤは解離して金属表面１０１ａに吸着し、Ｔサイトに導入される。表面１０１ａのＴサイトにＤが存在しない状態でもＤ−を導入できるので連続的に核融合を継続させることが可能となる。
【００９０】
２．２）Ｄ＋イオン注入
図２３に模式的に示すように、水素吸蔵金属１０１に対して対向電極１０２が負電位となる電圧を印加することで、水素吸蔵金属１０１の表面１０１ａの電子濃度を低下させた状態で、Ｄ−があるＴサイトにＤ＋を所定のエネルギで注入する。これにより、第１実施形態と同様のプロセスにより核融合が発生する。すなわち、上述したようにＴサイト内でＤ−とＤ＋とが共有結合的な状態（Ｄ２分子）になり、さらに金属格子から圧縮応力を受けて縮小し、フェムトＤ２分子となる。Ｔサイト内のフェムトＤ２分子は原子核ｄ−ｄ間が伸縮振動し、ｄ−ｄ間のＤＥＯ電子による核子間クーロン斥力の遮蔽効果により核子間が最接近して核融合が発生する。フェムトＤ２分子になった後はＴサイト空間内での伸縮振動が核融合にとって重要であり、この点からＤ＋の注入時の運動エネルギは高い方が有利である。
【００９１】
また、すでに述べたように基板温度を高くすることをトリガとして核融合を発生させ継続させる加熱方式では水素が金属内から脱離するために定期的に水素供給をすることが必要であった。これに対して、本実施形態ではトリガを外部から注入されるＤ＋とすることで、金属発熱体表面のＴサイトにはＤ−が入ればよいので、Ｄ＋、Ｄ−を近接させる条件を探す必要がなく、核融合の制御がより簡易であり、また核融合が容易に継続できるという利点がある。
【００９２】
２．３）効果
本実施形態によれば、発熱体表面の電位を制御して自由電子の濃度を低下させることでクーロン引力遮蔽を低減でき、それによって注入されたＤ＋がＴサイト内のＤ−と結合しやすくなり、Ｔサイト内にＤ２ガスを効率的に封じ込めることができる。さらに、Ｄ＋の注入速度を制御することでＤ２ガスの運動エネルギを高く設定することが容易となり、金属表面の自由電子の濃度が低いのでＤ２の振動運動を長期間継続させることができる。
【００９３】
このように発熱体あるいは水素吸蔵金属の表面電位を制御することで、表面の自由電子濃度を下げて注入Ｄ＋がＴサイト内のＤ−と結合しやすくなり、Ｄ２分子の振動を長期間継続させることができるために、常温核融合の発生確率を高めることができる。また、Ｄ２分子の振動エネルギが、注入されるＤ＋イオンの打ち込み速度により調整可能であるから、常温核融合の制御性を高めることができる。
【００９４】
３．実施例
上述した第１実施形態または第２実施形態による常温核融合装置のより具体的な実施例について図面を参照しながら詳述する。
３．１）第１実施例 
金属表面のナノ構造としては、ドット寸法および間隔が数ｎｍ〜数１００ｎｍに制御されたナノドットアレイを使用することができる。たとえば特許第５６５２８１７号（ナノドット形成方法）や特許第５８７５０６６号（ナノドットアレイ板製造方法）によれば、大きさや密度を所望に制御可能なナノドットおよびナノドットアレイの製法が開示されている。以下、本発明の第１実施例として、ナノドットを発熱体として用いた常温核融合装置について説明する。
【００９５】
図２４に例示するように、本発明の第１実施例による常温核融合装置２００ａは、発熱体として半球状（以下、ドーム状という。）のナノドーム２０１のアレイが支持基板２０２の表面上に形成された構成を有する。言うまでもなく図２４では説明のためにナノドーム形状が拡大して記載されており、ナノオーダに制御された多数のナノドーム２０１が支持基板２０２の表面全体に形成されている。ナノドーム２０１は水素吸蔵金属からなり、たとえばパラジウム（Ｐｄ）である。支持基板２０２は、望ましくは水素拡散速度が遅く且つ熱伝導率の高い金属材料で構成され、たとえば鉄（Ｆｅ）を用いることができる。
【００９６】
また、支持基板２０２の表面から所定距離ｇを隔てた位置に表面電位制御用の対向電極１０２が設けられ、直流電源１０３がナノドームアレイが形成された支持基板２０２に対して対向電極１０２が負電位となる電圧を印加する。ナノドーム２０１は図示しない加熱手段（ヒータ１０５）によって所定温度まで加熱されてもよい。
【００９７】
各ナノドーム２０１がドーム状であることは次の利点を有する。ナノドーム２０１の表面では上側に金属原子がないためにＴサイトにＤ−が入っても応力緩和が可能である。このために格子の膨張による系のエネルギの増加が少なくなり、膨張幅が大きくなってＴサイトにＤ−が入りやすくなる。
【００９８】
より詳しくは、図２５に模式的に示すように、ドーム状のナノドーム２０１は半球状であり、表面の曲率が正で大きい。このために、元のナノドーム２０１ａからナノドーム２０１ｂへ格子が外側（バルクとは反対側）に膨張しても、元の単位格子当たりの体積２１０ａはより大きい体積２１０ｂへと容易に大きくなることができ、その際に他格子から応力を受けにくい。すなわち、球体のような曲率が正で大きな外面では膨張が容易になる。このようにドーム状のナノドーム２０１ではＴサイトに膨張する余地があり、Ｄ−の吸蔵に極めて適した形状である。
【００９９】
上述したドーム状のナノドーム２０１は、支持基板２０２上に水素吸蔵金属層を形成した後、等方性エッチングの条件を深さ方向で段階的に変化させエッチングの横方向の進行速度を深さ方向で変更することにより形成可能である。
【０１００】
本発明の第１実施例によれば、対向電極１０２に支持基板２０２に対して負電位を印加することで、上述したようにナノドーム２０１からなるナノ構造の電子濃度が大幅に低くなり、熱励起されたＤ＋がＴサイト間の電位障壁をポッピングして隣接ＴサイトのＤ−へ移動する。こうしてＴサイトの縮小によりＤ２分子がフェムトＤ２分子に遷移し、振動運動が持続することにより常温核融合の発生確率が高くなる。
【０１０１】
３．２）第２実施例
図２６に例示するように、本発明の第２実施例による常温核融合装置２００ｂは、上述した第１実施例と同様に、発熱体２０１のアレイ、支持基板２０２、表面電位制御用の対向電極１０２および直流電源１０３を有するが、さらにＤ＋のイオンを注入する加速手段（図示せず）が設けられている。Ｄ＋のイオン注入以外は第１実例態と同様の構成および機能を有するので、詳細な説明は省略する。
【０１０２】
本発明の第２実施例によれば、対向電極１０２に支持基板２０２に対して負電位を印加することで、上述したようにナノドーム２０１からなるナノ構造の電子濃度が大幅に低くなり、注入されたＤ＋がＴサイト内のＤ−と結合し、Ｔサイトの縮小によりＤ２分子がフェムトＤ２分子に遷移し、振動運動が持続することにより常温核融合の発生確率が高くなる。このように発熱体の表面電位を制御することで表面の自由電子濃度を下げて注入Ｄ＋がＴサイト内のＤ−と結合しやすくなり、さらに注入されるＤ＋イオンの打ち込み速度を調整することでＴサイト内のＤ２分子の振動を長期間継続させることができ、常温核融合の発生確率を高めることができる。
【０１０３】
３．３）第３実施例
上記第１実施例および第２実施例における金属表面のナノ構造は上記ドーム状に限定されるものではない。以下、本発明の第３実施例として、ナノコーンを発熱体として用いた常温核融合装置について説明する。なお、第３実施例は、上述した表面電位制御による第１実施例あるいはＤ＋イオン注入による第２実施例にも適用可能である。
【０１０４】
図２７に例示するように、本発明の第３実施例による常温核融合装置３００は、発熱体としてナノコーン３０１のアレイが支持基板３０２の表面上に形成された構成を有する。ナノコーン３０１は先端が半球状の円錐形状を有し、たとえばパラジウム（Ｐｄ）等の水素吸蔵金属からなる。支持基板３０２は、望ましくは熱伝導率の高い金属材料で構成され、たとえば銅（Ｃｕ）を用いることができる。また、支持基板３０２の表面から所定距離ｇを隔てた位置に表面電位制御用の対向電極１０２が設けられ、直流電源１０３がナノコーン３０１のアレイに対して対向電極１０２が負電位となる電圧を印加する。さらに、Ｄ＋のイオンビームを打ち込む加速手段（図示せず）が設けられている。なお、第１実施例のように加熱手段（図示せず）を設けてナノコーン３０１を所定温度まで加熱してもよい。
【０１０５】
ナノコーン３０１は先端部が半球状であるから、上記第１実施例および第２実施例と同様にＤ−の吸蔵に適している。さらに、ナノコーン３０１の半球状の先端部と円錐状の側面に電界がかかるために、電界の先端部への集中を避けることができ、ナノコーン３０１のアレイ全体に均一な電界かけることができる。これにより、さらに制御性の良い常温核融合を実現できる。
【０１０６】
本発明の第３実施例によれば、対向電極１０２に支持基板２０２に対して負電位を印加することで、上述したようにナノコーン３０１からなるナノ構造の電子濃度が大幅に低くなり、熱励起あるいは注入されたＤ＋がＴサイト内でＤ−と結合し、Ｔサイトの縮小によりＤ２分子がフェムトＤ２分子に遷移し、振動運動が持続することにより常温核融合の発生確率が高くなる。
【０１０７】
３．４）第４実施例
金属表面のナノ構造としてのナノコーン３０１には別のバリエーションも可能である。以下、本発明の第４実施例による発熱体に用いられるナノコーンとその製造方法について説明する。なお第４実施例は上述した第１〜第３実施例にも適用可能である。
【０１０８】
図２８に例示するように、本発明の第４実施例による常温核融合装置の発熱体は、上記第３実施例と同形状のナノコーン３０１から構成されるが、各ナノコーン３０１は金属層３０２に形成されたナノピラー３０２ａの上に積層されている。このようなナノ構造は、たとえば東北大学プレスリリース（「３次元量子ドット構造の形成実現によるInGaAsナノ円盤構造を世界で初めて観察」令和元年９月２日発表）で使用されたバイオテンプレートと中性粒子ビームを用いた製造技術を応用して製造することができる。以下、製造方法の一例を示す。
【０１０９】
図２９（Ａ）および（Ｂ）において、支持基板４０３上に金属層４０２を積層し、さらにその上に必要な膜厚ｄの水素吸蔵合金層４０１を積層する。積層方法はＣＶＤ等の成膜方法を利用できる。続いて、水素吸蔵合金層４０１上に、鉄コア５０１を内包したタンパク質５０２を配列する。
【０１１０】
図３０において、タンパク質５０２を除去することで、鉄コア５０１が一定間隔で水素吸蔵合金層４０１上に残る（工程Ａ）。続いて、中性粒子ビームエッチングにより鉄コア５０１をマスクとして水素吸蔵合金層４０１と金属層４０２の一部を除去し、さらにエッチングにより円錐側面を有する金属層４０２および水素吸蔵合金層４０１を形成する（工程Ｂ）。最後に、鉄コア５０１を除去することで、所定間隔に配列されたナノコーン３０１を形成することができる（工程ＣおよびＤ）。なお、図３０（Ｃ）は、図３０（Ｄ）に示す平面図のＡ−Ａ線断面図である。
【０１１１】
このようなナノコーン構造体にすることで、バルクと表面積の比では圧倒的に表面積の割合が大きくなる。ナノコーン３０１は熱伝導率の高い金属層４０２上に形成されるので、熱交換効率が良く、発熱体であるナノコーン３０１から効率よくエネルギーを取り出すことができる。
【０１１２】
図３１に示すように、上述した第３実施例または第４実施例による常温核融合装置３００は、支持基板４０３上に金属層４０２を介して形成された発熱体であるナノコーン３０１と、ナノコーン３０１が形成された金属層４０２の表面から所定距離ｇだけ離れた位置に設けらた対向電極１０２と、対向電極１０２に負電位を与える直流電源１０３と、を有する。さらに、Ｄ＋のイオンビームを打ち込む加速手段（図示せず）が設けられている。なお、常温核融合装置３００は第１実施例あるいは第２実施例による常温核融合装置２００ａあるいは２００ｂであってもよい。
【０１１３】
常温核融合装置３００は反応炉６０１内に設置され、真空状態で重水素ガスを導入することで、発熱体であるナノコーン３０１の表面のＴサイトに吸蔵される。続いて、対向電極１０２に支持基板４０３に対して所定の負電圧を印加する。これによりナノコーン３０１の表面から自由電子がバルク側へ移動して表面での電子濃度が低下し、注入されたＤ＋のＴサイト内で伸縮振動が持続し、上述したメカニズムにより核融合の発生確率が高くなる。核融合により発生した熱は金属層４０２により外部に取り出される。
【０１１４】
３．５）第５実施例
本発明の第５実施例によれば、水素吸蔵金属表面のＴサイトにＤ−が入っており、そのＴサイトに外部からＤ＋をスキャンしつつ注入することで常温核融合をトリガする。
【０１１５】
図３２に例示するように、本発明の第５実施例による常温核融合装置７００は、第２実施例と同様に、発熱体として半球状（以下、ドーム状という。）のナノドーム２０１のアレイが支持基板２０２の表面上に形成されている。各ナノドーム２０１は水素吸蔵金属からなり、たとえばパラジウム（Ｐｄ）である。支持基板２０２は、望ましくは水素拡散速度が遅く且つ熱伝導率の高い金属材料で構成され、たとえば鉄（Ｆｅ）を用いることができる。なお、第４実施例の発熱体は、第３および第４実施例におけるナノコーン３０１からなる発熱体であってもよい。
【０１１６】
また、支持基板２０２の表面から所定距離ｇを隔てた位置に表面電位制御用の対向電極１０２が設けられ、直流電源１０３がナノドーム２０１のアレイに対して対向電極１０２が負電位となる電圧を印加する。これにより水素吸蔵金属のナノドーム２０１における電子の濃度を低下させる。この状態で対向電極１０２を通して重水素イオンＤ＋あるいはＤ２ガスをナノドーム２０１のアレイ全体に照射することで、すでに述べた核融合反応を生起させることができる。詳しくは、Ｄ＋／Ｄ２ガスを支持基板２０２に対して相対的にスキャンすることによりナノドーム２０１のアレイ全体にＤ＋を注入する。その際、支持基板２０２を固定してＤ＋／Ｄ２ガスを移動させてもよいし、Ｄ＋／Ｄ２ガスの照射位置を固定して、Ｘ−Ｙステージ上の基板２０２を移動させてもよい。なお、常温核融合装置７００にＤ＋ビームとＤ２ガスの２系統の導入部を設けてもよい。
【０１１７】
本発明の第５実施例によれば、対向電極１０２に支持基板２０２に対して負電位を印加することでナノドーム２０１（あるいはナノコーン３０１）からなるナノ構造の電子濃度が大幅に低くなり、スキャン注入されたＤ＋がＴサイト内でＤ−と結合し、Ｔサイトの縮小によりＤ２分子がフェムトＤ２分子に遷移し、スキャン注入されたＤ＋の運動エネルギによりＴサイト内での振動運動が持続することで常温核融合の発生確率が高くなる。
【０１１８】
３．６）第６実施例
図３３に例示するように、常温核融合システムは、前処理チャンバ９１０と、常温核融合装置９２０と、それらの間を接続する搬送部９３０とからなる。発熱体基板８００は、前処理チャンバ９１０で前処理され、搬送部９３０を通して常温核融合装置９２０へ搬送される。常温核融合装置９２０で発熱体基板８００にＤ＋／Ｄ２ガスが照射されることで、すでに述べたように核融合反応が発生する。
【０１１９】
前処理チャンバ９１０内には、発熱体基板８００を載置するステージ９１１とステージ９１１に対向してＲＦ電極９１２とが設けられ、アルゴンガスあるいは原料ガスを導入しながら酸化膜の除去あるいは水素吸蔵金属の積層を行う。搬送部９３０は、前処理された発熱体基板８００を真空中でベルト等の搬送手段により常温核融合装置９２０へ搬送する。常温核融合装置９２０は、発熱体基板８００を載置するステージ９２１、発熱体基板８００の表面電位を制御するための対向電極９２２、Ｄ＋ビームあるいはＤ２ガスを発熱体表面に照射するための照射部９２３を有する。なお、対向電極９２２には直流電源１０３によりステージ９２１に対する負電圧が印加される。
【０１２０】
図３４に例示するように、本実施例における発熱体基板８００は、金属基板８０１の表面にアレイ状のナノドーム８０２からなるナノ構造が形成され、その上に水素吸蔵金属８０３が積層された構成を有する。本実施例では水素吸蔵金属８０３としてチタンを用いる。チタンは自然酸化膜がかなり厚いために、実際に核融合を発生させる前に酸化膜の除去処理が必要である。なお、本実施形態における前処理チャンバ９１０において、チタンの酸化膜除去の処理あるいはチタンの積層処理を実行することができる。
【０１２１】
図３４に示すような金属基板８０１上に水素吸蔵金属８０３が形成されている場合には、その発熱体基板８００をステージ９１１に載置し、アルゴンガス雰囲気中でＲＦパワーを対向電極９１２に印加してアルゴンプラズマを発生させ、水素吸蔵金属８０３の表面から自然酸化膜を除去する。
【０１２２】
また、前処理チャンバ９１０内でナノ構造を有する金属基板８０１上に水素吸蔵金属８０３をプラズマＣＶＤ（化学気相堆積）法あるいは低圧ＣＶＤ法により積層させてもよい。たとえば、原料ガスの雰囲気中でＲＦパワーを印加し、金属基板８０１上に水素吸蔵金属を積層させる。
【０１２３】
図３５に示すように、図３４に示す発熱体基板８００を搬送部９３０を通して常温核融合装置９２０へ搬送し、ステージ９２１上に載置する。以下、すでに述べたように、対向電極９２２にステージ９２１に対して負電位となる電圧を印加し、ナノ構造を有する水素吸蔵金属８０３の表面での電子濃度を低下させる。この状態で対向電極９２２を通して重水素イオンＤ＋あるいはＤ２ガスを水素吸蔵金属８０３に照射することで核融合反応を生起させる。
【０１２４】
図３３に示すような前処理チャンバ９１０と常温核融合装置９２０との分離は、特にチタンのように酸化膜が形成されやすい金属を水素吸蔵金属として用いる場合に適している。
【符号の説明】
【０１２５】
１００、２００、３００、７００、９２０  常温核融合装置
１０１、８０３  水素吸蔵金属
１０１ａ  金属表面
１０２、９２２  対向電極
１０３  直流電源
１０４  支持基板
１０５  ヒータ
２０１  ナノドーム
２０２  支持基板
３０１  ナノコーン
３０２  支持基板（金属層）
９１２  ＲＦ電極
【図１】
2020170020.tif 000003
【図２】
2020170020.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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