(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
核融合燃料を長尺状に成型したターゲットと、
前記ターゲットに対し、その軸方向の一端から所定のエネルギー範囲に属する核融合燃料のイオンからなるイオンバンチを注入するイオン注入装置と、
前記ターゲットの内部を終端に向けて進行する前記イオンバンチの動きに同期させて前記ターゲットの側方から前記ターゲットにレーザを照射することにより、前記ターゲットの内部に前記核融合燃料のプラズマを生じさせて前記イオンバンチ中のイオンの核融合反応を促進するレーザ装置と、
を含んで構成されるレーザ核融合装置。
【請求項２】
前記レーザ装置は、
前記ターゲットにおける前記イオンバンチの軌道上の所定の位置に対して前記イオンバンチの到達前にレーザを照射して、この所定の位置に存在するイオンの、前記イオンバンチの到達時における温度を上昇させる第１のレーザ装置と、
前記所定の位置に対して前記イオンバンチの到達時にレーザを照射する第２のレーザ装置と、
を含んで構成される、請求項１に記載のレーザ核融合装置。
【請求項３】
前記ターゲットの内部を移動する前記イオンバンチ中のイオンに対して前記ターゲットの中心軸に向かう力を生じさせる電界を形成する電界形成装置を更に含んで構成される、請求項１又は請求項２に記載のレーザ核融合装置。
【請求項４】
前記電界形成装置は、
前記ターゲットの内部においてその中心軸に沿って配置された複数の微細細線電極と、
前記微細細線電極のそれぞれに対して個別に電圧を印加可能に構成された電圧印加装置と、
を含んで構成される、請求項３に記載のレーザ核融合装置。
【請求項５】
前記イオン注入装置は、
前記ターゲットの入射側においてその軸方向の延長上に配置された、核融合燃料からなるサブターゲットと、
前記サブターゲットにレーザを照射して、このレーザ照射によって生じた前記所定のエネルギー範囲のイオンを前記ターゲットに注入可能に構成された第３のレーザ装置と、
を含んで構成される、請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のレーザ核融合装置。
【請求項６】
前記ターゲットは、第１の部分と、この第１の部分に対して前記核融合反応の点火点を挟んで前記ターゲットの出射側に位置する第２の部分とを含んで構成され、
前記レーザ装置は、前記第１及び第２の部分のうち前記第１の部分のみに対してレーザを照射する、
請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載のレーザ核融合装置。
【請求項７】
前記ターゲットは、該ターゲットの中心軸に垂直な断面が、前記第２の部分において前記第１の部分におけるよりも大きく形成された、請求項６に記載のレーザ核融合装置。
【請求項８】
前記ターゲットは、前記第２の部分において、前記ターゲットの終端に近い側ほど前記断面が拡大された、請求項７に記載のレーザ核融合装置。
【請求項９】
前記ターゲットは、ナノ・マイクロオーダの粒子からなるクラスタ構造であるか、又はナノ・マイクロオーダの薄膜を、その面直方向が前記ターゲットの中心軸に対して平行となるように積層した構造である、請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載のレーザ核融合装置。
【請求項１０】
前記核融合反応によって生じた核融合エネルギーを電力に変換する電力変換装置を更に含んで構成される、請求項１〜請求項９のいずれか１つに記載のレーザ核融合装置。
【請求項１１】
前記電力変換装置は、前記核融合エネルギーを電磁誘導によって電力に変換する、請求項１０に記載のレーザ核融合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターゲットを長尺状に成型し、イオンバンチがこのターゲットの内部を終端に向けて移動する過程でイオンの核融合反応を連続的に生じさせるレーザ核融合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ核融合装置は、慣性閉じ込め方式の代表的な核融合装置として知られており、一般的には、燃料球と呼ばれる核融合燃料のターゲットに向けてその周囲から一様にレーザを照射することで、球内部に封入されている燃料の爆縮を生じさせ、核融合反応に必要な高い密度（断熱圧縮であるために温度も上昇する。）を達成する。
【０００３】
この従来一般的なレーザ核融合装置には、レイリー・テイラー不安定性と呼ばれる、密度の異なる流体同士の境界に生じるひだ状の凹凸に起因して燃料を均一に圧縮することが難しく、燃料の不均一圧縮のために目標とする高い密度及び温度を達成することができないという問題がある。従って、レーザ核融合装置では、ターゲットの燃料均一性を高めたり、レーザ照射をより一様に行ったりするなどの改善が必要とされている。爆縮によって生じる燃料の圧力上昇に同期させてターゲット外から別のレーザを照射することで、核融合反応をより積極的に生じさせる技術も存在する。
【０００４】
このようなレーザ核融合装置に代表される熱核融合方式の装置に対し、加速器を用いてイオンを加速させるなどしてイオンを別のイオンと衝突させることによって核融合反応を生じさせるものは、衝突核融合装置として分類され、ビーム衝突型及びパルスレーザ照射式等の方式のものが知られている。この衝突核融合装置によれば、イオンの熱運動を生じさせてイオン同士を衝突させるレーザ核融合装置とは異なり、燃料の圧縮に関する問題は回避される。
【０００５】
しかし、衝突核融合装置には、イオン粒子ビームの面密度が希薄であり、衝突頻度（確率）が非常に小さいうえ、１回の核融合反応によって得られるエネルギー量が微々たるものに過ぎず、発電等の実用的な用途を念頭に置いた場合に必要とされるエネルギー量には到底及ばないことから、投入エネルギーを上回ることのできる多くの反応回数をいかにして確保するかという問題が想起される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−３０４３２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、このような実状に鑑みてなされたものであり、その目的は、爆縮を伴わない新たな原理によって作動するレーザ核融合装置を提供して、燃料の不均一圧縮の問題を回避しつつ、実用レベルの安定したエネルギー出力を達成することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明は、核融合燃料を長尺状に成型したターゲットと、前記ターゲットに対し、その軸方向の一端から所定のエネルギー範囲に属する核融合燃料のイオンからなるイオンバンチを注入するイオン注入装置と、前記ターゲットの内部を終端に向けて進行する前記イオンバンチの動きに同期させて前記ターゲットの側方から前記ターゲットにレーザ（以下、単に「レーザ」というときは、レーザ光をいうものとする。）を照射することにより、前記ターゲットの内部に前記核融合燃料のプラズマを生じさせて前記イオンバンチ中のイオンの核融合反応を促進するレーザ装置と、を含んでレーザ核融合装置を構成する。
【０００９】
本発明の好適な態様では、前記レーザ装置は、前記ターゲットにおける前記イオンバンチの軌道上の所定の位置に対して前記イオンバンチの到達前にレーザを照射して、この所定の位置に存在するイオンの、前記イオンバンチの到達時における温度を上昇させる第１のレーザ装置と、前記所定の位置に対して前記イオンバンチの到達時にレーザを照射する第２のレーザ装置と、を備える。
【００１０】
また、本発明の他の好適な態様では、前記ターゲットの内部を移動する前記イオンバンチ中のイオンに対して前記ターゲットの中心軸に向かう力を生じさせる電界を形成する電界形成装置を備える。
【００１１】
本発明の更に別の好適な態様では、前記ターゲットは、第１の部分と、この第１の部分に対して前記核融合反応の点火点を挟んで前記ターゲットの出射側に位置する第２の部分とを含んで構成され、前記レーザ装置は、前記第１及び第２の部分のうち前記第１の部分のみに対してレーザを照射する。
【００１２】
本発明の更に別の好適な態様では、前記ターゲットは、その中心軸に垂直な断面が、前記第２の部分において前記第１の部分におけるよりも大きく形成され、前記第２の部分において、前記ターゲットの終端に近い側ほど前記断面が拡大される。
【００１３】
本発明の更に別の好適な態様では、前記核融合反応によって生じた核融合エネルギーを電力に変換する電力変換装置を更に備える。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係るレーザ核融合装置によれば、長尺状のターゲットに対してその軸方向の一端からイオンバンチを注入し、ターゲットの内部を終端に向けて進行するイオンバンチの動きに同期させてターゲットの側方からレーザを照射することで、ターゲットの内部にターゲット物質（核融合燃料）のプラズマを生じさせ、イオンバンチ中のイオンとこのプラズマのイオンとの間で核融合反応を生じさせることが可能である。このように、本発明に係るレーザ核融合装置は、イオン注入装置によってターゲットに注入された所定のエネルギー範囲に属するイオンと、ターゲットの側方からのレーザ照射によって加熱されたターゲット物質のイオンとを衝突させることによって核融合反応を生じさせるものであるので、核融合反応を生じさせるために燃料を高い密度に圧縮する必要がなく、燃料の不均一圧縮の問題を回避することができる。そして、本発明に係るレーザ核融合装置によれば、レーザ照射によってターゲット物質のイオンを加熱することで、イオンバンチ中のイオンに対するターゲット物質の阻止能を抑制し、イオンバンチがターゲットの内部を移動する過程で上記イオン同士の核融合反応を連続的に生じさせることが可能であるので、投入エネルギーを上回ることができるほどの反応回数を確保し、実用レベルの安定したエネルギー出力を達成することができる。
【００１５】
本発明において、ターゲットにおけるイオンバンチの軌道上の所定の位置に対してイオンバンチの到達前にレーザを照射する第１のレーザ装置と、この所定の位置に対してイオンバンチの到達時にレーザを照射する第２のレーザ装置とを備える態様では、第１のレーザ装置からのレーザ照射によってターゲット物質の核的阻止能を抑制するとともに、第２のレーザ装置からのレーザ照射によってターゲット物質の電子的阻止能を抑制することができる。
【００１６】
本発明において、ターゲットの内部を移動するイオンバンチ中のイオンに対してターゲットの中心軸に向かう力を生じさせる電界を形成する電界形成装置を備える態様では、イオンバンチ中のイオンが上記核融合反応及びターゲット物質のイオンとのクーロン弾性散乱によってターゲット外に散逸してしまうことを防止し、イオンバンチが輸送するエネルギーの減衰を抑制することができる。
【００１７】
本発明において、ターゲットが第１の部分と、この第１の部分に対して核融合反応の点火点を挟んでターゲットの出射側に位置する第２の部分とを含み、ターゲットの側方からのレーザ照射を第１及び第２の部分のうち第１の部分のみに対して行う態様では、点火点よりも下流の第２の部分に対する不要なレーザ照射によるエネルギーの損失を防止することができる。
【００１８】
そして、特にターゲットの断面を、第２の部分において第１の部分におけるよりも大きく形成することで、点火点以降での核融合反応に寄与するターゲット物質の量を確保することができる。ここで、第２の部分の断面をターゲットの終端に近い側ほど拡大することは、ターゲット物質の量を良好に確保するうえで有利である。
【００１９】
本発明において、電力変換装置を備える態様では、核融合反応によって生じた核融合エネルギーを電力に変換して利用することが可能となり、本発明に係るレーザ核融合装置を発電装置として構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係るレーザ核融合装置の構成図
【図２】円錐状の追加部を有するターゲットの概略図
【図３】同上レーザ核融合装置の動作説明図
【図４】同上レーザ核融合装置における核融合反応の概念図
【図５】同上レーザ核融合装置におけるクーロン散乱反応と核融合反応との発生頻度の比較を示す説明図
【図６】同上レーザ核融合装置におけるイオンバンチの成長モデルを示す説明図
【図７】同上成長モデルを用いた数値計算の結果を示す説明図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【００２２】
（レーザ核融合装置の構成）
図１は、本発明の一実施形態に係るレーザ核融合装置１全体の構成を概略的に示している。
【００２３】
本実施形態に係るレーザ核融合装置１は、核融合燃料を長尺状に成型したターゲット１２を用い、ターゲット１２に対してその軸方向の一端ｅ１から、所定のエネルギー範囲に属するイオンの束（イオンバンチ）Ｂを注入する。そして、注入したイオンバンチＢがターゲット１２の内部を終端ｅ２に向けて移動する過程で、イオンバンチＢ中のイオン（以下、特に「シードイオン」という。）とターゲット物質のイオンとの核融合反応をターゲット１２の軸方向に亘って連続的に生じさせ、所要のエネルギーレベルの出力を生成する。
【００２４】
ここで、本実施形態では、ターゲット１２の側方に照射タイミングを異ならせて設定した第１及び第２のサイドレーザ装置１４，１６を配置し、ターゲット１２の内部を終端ｅ２に向けて進行するイオンバンチＢの動きに同期させて、これらのサイドレーザ装置１４，１６からターゲット１２に超高光強度のパルスレーザＬｓ１，Ｌｓ２を順次照射する。これにより、ターゲット１２の内部にプラズマを生じさせ、シードイオンの核融合反応を促進する。
【００２５】
このようなレーザ核融合装置１の構成について、以下に具体的に説明する。
ターゲット１２の入射側においてその中心軸の延長上に球面薄膜状のサブターゲット１８を配置し、サブターゲット１８を挟んでターゲット１２の反対側からレーザ装置２０によってパルスレーザ（例えば、超高光強度のフェムト秒レーザ）Ｌを照射する。これにより、多数のシードイオンが集合したイオンバンチＢを生成する。サブターゲット１８は、ターゲット１２と同じ種類の核融合燃料からなり、これを球面薄膜状に成型したことで、メガ電子ボルト（ＭｅＶ）レベル以上の高いエネルギーを有するシードイオンを生じさせ、これを集合させることが可能である。
【００２６】
ここで、シードイオンが有するエネルギーは、加速器で求められるほどのギガ電子ボルト（ＧｅＶ）レベルの高いエネルギーである必要はなく、一般的に核融合反応を生じさせることができる程度のＭｅＶレベルのエネルギーであればよい。そこで、生じさせようとする核融合反応にもよるが、本実施形態では実用的な核融合反応を想定して、パルスレーザＬの照射面積を広げて設定することによってシードイオンのエネルギーを１０キロ電子ボルト（ｋｅＶ）〜１ＭｅＶの範囲内に抑える一方、レーザ照射によって生じるシードイオンの数（換言すれば、イオンバンチＢの粒子数）を増大させるようにしている。サブターゲット１８及びレーザ装置２０は、本実施形態に係る「イオン注入装置」を構成し、レーザ装置２０は、「第３のレーザ装置」に相当する。
【００２７】
ターゲット１２は、ナノメートルオーダ又はマイクロメートルオーダ（以下「ナノ・マイクロオーダ」と略す。）の粒子状に成型した核融合燃料からなるクラスタ構造である。ターゲット１２は、図２に拡大して示すように、直線状の基礎部（「第１の部分」に相当する。）１２１と、基礎部１２１に対してターゲット１２の出射側に位置する、円錐状の追加部（「第２の部分」に相当する。）１２２とからなる。本実施形態において、基礎部１２１と追加部１２２とが接合する境界ｐｉは、シードイオンの核融合反応の点火点に相当し、後に述べるように、この点火点ｐｉ以降の追加部１２２では、シードイオンの核融合反応が自律連鎖的に生じる。追加部１２２の断面をターゲット１２の終端ｅ２に近い側ほど拡大したことで、点火点ｐｉ以降での核融合反応に寄与するターゲット物質の量を過不足なく良好に確保することが可能である。ターゲット１２は、ナノ・マイクロオーダのクラスタ構造に限らず、ナノ・マイクロオーダの薄膜状に成型した核融合燃料を、その面直方向がターゲット１２の中心軸に対して平行となるように積層した構造であってもよい。
【００２８】
本実施形態において、ターゲット１２の内部には、複数の微細細線電極２２，２２…が前端ｅ１から終端ｅ２に亘ってターゲット１２の中心軸上に並べて配置されている。微細細線電極２２のそれぞれは、同軸型の電圧印加装置２４に接続され、電圧印加装置２４によって個別のタイミングで所定の電圧を印加することが可能とされている。後に述べるように、微細細線電極２２に対する電圧の印加は、第１及び第２のサイドレーザ装置１４，１６からターゲット１２へのレーザ照射に同期させて行われる。微細細線電極２２に電圧が印加されることで、ターゲット１２の内部に電界が生じ、この電界により、ターゲット１２の内部を移動するシードイオン（正の電荷を有する。）に対してターゲット１２の中心軸に向かう力を作用させ、クーロン散乱反応等によって移動の向きが変えられたシードイオンのターゲット１２外への散逸を抑制することができる。
【００２９】
ここで、ＦＩＭ顕微鏡等に適用される技術によれば、１ｍｍ以下程度の微小対象物の周囲において１ＧＶ／ｍに達する強い電界を生じさせ得ることが知られている。このことからすれば、ターゲット１２及び微細細線電極２２の直径に、１μｍに満たない程度のサブμｍから１ｍｍ未満のオーダを想定する本実施形態について、微細細線電極２２への電圧の印加によって充分に強い電界を生じさせることが可能である。本実施形態では、イオンバンチＢが通り過ぎた後の電界は不要であるから、このような強い電界を持続させるべき時間は、第２のサイドレーザ装置１６の照射時間程度の非常に短い時間でよいので、電界の保持に問題はない。
【００３０】
第１及び第２のサイドレーザ装置１４，１６は、ターゲット１２の側方に配置され、基礎部１２１及び追加部１２２のうち基礎部１２１のみに対してパルスレーザＬｓ１，Ｌｓ２を照射する。本実施形態において、サイドレーザ装置１４，１６からのレーザ照射の方向は、ターゲット１２の中心軸に対して垂直である。第１及び第２のサイドレーザ装置１４，１６は、ターゲット１２におけるイオンバンチＢの軌道上の各位置に対し、軸方向に進行するイオンバンチＢの動きに同期させてパルスレーザＬｓ１，Ｌｓ２を照射する。
【００３１】
具体的には、第１及び第２のサイドレーザ装置１４，１６は、パルスレーザＬｓ１，Ｌｓ２の照射タイミングが異ならせて設定されており、イオンバンチＢが到達した領域に存在するターゲット物質のイオン及び電子の運動エネルギーを、レーザ照射によって瞬間的にではあるが大きく増大させることで、イオンバンチＢに対するターゲット物質の阻止能を抑制しつつ、シードイオンの核融合反応を促進する。レーザ照射タイミングの具体的な設定については後に述べる通りである。パルスレーザＬｓ１，Ｌｓ２にテラワット（ＴＷ）レベルのピコ秒乃至フェムト秒レーザを用いることで、ターゲット物質の阻止能を有効に抑制することが可能である。そして、このようにターゲット物質の阻止能が抑制されることで、イオンバンチＢを、ターゲット物質のイオン及び電子との相互作用によってエネルギーを減衰させることなく移動させることができる。寧ろイオンバンチＢは、ターゲット１２の内部を移動する過程で、核融合反応の結果生じたエネルギーを取り込むとともに、ターゲット側方からのレーザ照射によって生じたイオンが付加されてその粒子数を増大させることで、輸送エネルギーを増幅させていく。ターゲット１２の全長を大きく設定することで、発電の目的に適するほどの有意なエネルギー増幅作用を達成することが可能である。本実施形態に係るサイドレーザ装置１４，１６は、ターゲット物質の爆縮を生じさせるためのものではないので、イオン及び電子の温度を上昇させて、それぞれの運動エネルギーを所定のレベルにまで引き上げることができれば、ターゲット１２の全周に設けられる必要はない。本実施形態において、第１のサイドレーザ装置１４は「第１のレーザ装置」に相当し、第２のサイドレーザ装置１６は「第２のレーザ装置」に相当する。
【００３２】
ターゲット１２の出射側には、その中心軸の延長上に発電装置２６が配置されており、発電装置２６により、ターゲット１２を通過したイオンバンチが有するエネルギー（核融合反応によって生じたエネルギーを含む。）を直接電力に変換することが可能である。本実施形態において、発電装置２６は、ＭＨＤ（Magneto-hydro Dynamics）方式及びＴＷＤＥＣ（Traveling Wave Direct energy conversion）方式等の電磁誘導型の発電装置である。変換によって得られた電力は、電気自動車の走行用バッテリを充電したり、自動車等各種製品の生産工場に給電したりするのに利用することができる。発電装置２６は、本実施形態に係る「電力変換装置」を構成する。
【００３３】
レーザ装置２０、第１及び第２のサイドレーザ装置１４，１６、ならびに電圧印加装置２４の動作は、電子回路２８によって制御される。本実施形態において、ターゲット１２（及びその内部の微細細線電極２２）、サブターゲット１８及び発電装置２６は、真空装置３０に収容されている。
【００３４】
イオンバンチＢの１回の注入及びパルスレーザＬｓ１，Ｌｓ２の一連の照射により、ターゲット１２及び微細細線電極２２は、その全長に亘って完全に破壊される。従って、本実施形態に係るレーザ核融合装置１は、パルス発電炉を構成するものであり、ターゲット１２及び微細細線電極２２は、イオンバンチＢの注入（即ちターゲット１２等の破壊）毎に新しいものと交換される。
【００３５】
（レーザ核融合装置の動作）
第１及び第２のサイドレーザ装置１４，１６によるレーザ照射及び電圧印加装置２４による電圧印加の各タイミングの制御について、図３に示すタイムチャートを参照して説明する。
【００３６】
本実施形態では、球面薄膜状のサブターゲット１８にパルスレーザ１を照射して、イオンバンチＢを生成する（時刻ｔ１）。
そして、ターゲット１２の内部でシードイオンの核融合反応を促進するため、イオンバンチＢの軌道上の各位置ｚ１，ｚ２，ｚ３，ｚ４…に対し、第１のサイドレーザ装置１４からイオンバンチＢの到達前（例えば、位置ｚ１について時刻ｔ２）にパルスレーザ２を照射する。続いて、イオンバンチＢが位置ｚ１に到達する時刻ｔ３において、位置ｚ１に対して第２のサイドレーザ装置１６からパルスレーザ３を照射する。このように、軌道上の各位置（例えば、位置ｚ１）に対してイオンバンチＢが到達するのに先立つ時刻ｔ２にパルスレーザ２を照射しておくとともに、イオンバンチＢが到達する時刻ｔ３に再度パルスレーザ３を照射することで、イオンバンチＢの到達時刻ｔ３におけるターゲット物質のイオン及び電子の温度を上昇させることが可能である。イオンの温度を上昇させることでターゲット物質の核的阻止能が低下し、電子の温度を上昇させることでターゲット物質の電子的阻止能が低下する。これにより、イオンバンチＢがターゲット１２の内部を移動する過程でターゲット物質のイオン及び電子に運動エネルギーが奪われることを回避し、シードイオンとターゲット物質のイオンとの核融合反応を、ターゲット１２の軸方向に亘って連続的に生じさせることができる。
【００３７】
イオンの温度を上昇させるためのレーザ照射（パルスレーザ２）を、電子の温度を上昇させるためのレーザ照射（パルスレーザ３）に先行して行うプリトリガを設定するのは、電子に比べてイオンはその質量がはるかに大きく、イオンがレーザによって加熱されてその温度を上昇させるのに、より長い時間を要するからである。これに対し、電子は、光の振動場との相互作用を生じるうえでその質量が充分に小さく、レーザが照射された瞬間付近でホットイレクトロン（大きな速度の電子）の数が最大となる傾向にある。従って、電子についてはレーザを照射したのと同時に温度が上昇すると考えてよい。
【００３８】
レーザ照射によってイオンが加速される原理として、超高光強度のフェムト秒レーザが及ぼすポンデラモーティブ力によって軽い電子だけが押し退けられ、残されたイオン集団の間で電荷の分布が形成されることに起因するのが基本であると考えられるが、実際は、レーザの偏光状態や照射角度、ターゲットの構造や密度、ターゲット物質の種類、更に高速電子流が原因で生じる超強磁場の影響等に依存するので、複雑な現象でもある。イオンが高速に加速される確実な現象の典型例として、「クラスタ粒子のクーロン爆発現象」や「薄膜形状物質の高電場シース加速」等が挙げられ、近年研究が活発に行われている。本実施形態でもこれらの現象を活用することが可能である。例えば、レーザ照射によって局所的に１００ＧＶ／ｍの電場を生成したとすれば、この電場中の重水素核Ｄ＋を静止している初期状態から１ＭｅＶに加速させるのに要する時間は、単純計算で約２ｐｓであり、５０ｋｅＶまでであれば、約０．４６ｐｓである。このように、レーザ照射のプリトリガ設定により、イオンバンチＢが到達する直前にターゲット物質のイオンをｋｅＶ乃至ＭｅＶレベルにまで加速させる。
【００３９】
ここで、パルスレーザＬｓ１，Ｌｓ２が照射された瞬間にターゲット１２の内部で生じるプラズマは、統計的な分布にまで緩和する前の非平衡の超高温プラズマであり、ピコ秒オーダの極めて短い時間のうちにイオンバンチＢがクーロン散乱反応及び核融合反応を生じながら通過していく。従って、本実施形態に係るレーザ核融合装置１では、従来の熱核融合装置（例えば、トカマクに代表される磁場閉じ込め核融合装置）におけるようにプラズマ不安定性の成長が問題となることはない。
【００４０】
本実施形態では、ターゲット１２をナノ・マイクロオーダの粒子クラスタ構造としたことで、ターゲット１２の密度を臨界密度よりも低く設定して、レーザを充分に吸収させることが可能である。
【００４１】
図３において、記号ｄｔ１は、サブターゲット１８にパルスレーザ１を照射してからイオンバンチＢがターゲット１２の前端ｅ１に到達するまでの時間を示し、記号ｄｔ２は、それぞれの位置に関して先行するパルスレーザ２を照射してからパルスレーザ３を照射するまでの時間を示し、記号ｄｚは、パルスレーザ３の持続時間の間にイオンバンチＢが移動する距離を示す。本実施形態では、時間ｄｔ２を、パルスレーザ２を照射してから、このレーザ照射によって加速されるイオンの速度が最大値に達するまでの時間に設定する。微細細線電極２２に対する電圧印加のタイミングは、図中点線で示すように、パルスレーザ３の照射タイミングに一致させる。
【００４２】
（核融合反応の増幅作用）
図４は、本実施形態に係るレーザ核融合装置１について、ターゲット内部での核融合反応の概念を模式的に示している。
【００４３】
イオンバンチＢ中のシードイオンは、微細細線電極２２が生じさせる電界の効果及び周囲からのレーザ光圧により、ターゲット１２の内部に閉じ込められながら終端ｅ２に向けて移動する。ここで、シードイオンは、ターゲット側方からのレーザ照射によって加速されたターゲット物質のイオンとのクーロン弾性散乱を起こす。本実施形態では、ターゲット物質のイオンがシードイオンと同じ物質のイオンであることから、核融合反応の結果としてその運動エネルギーを増したシードイオンがターゲット物質のイオンに運動エネルギーを引き渡すこと、及びターゲット側方からのレーザ照射によって加速されたイオンがイオンバンチＢに取り込まれることにより、イオンバンチＢは、その輸送エネルギーを順次増大させていく。このように、本実施形態では、核融合反応によって生じたエネルギーを、クーロン散乱反応を介して次回の核融合反応を生じるイオンにフィードバックすることができる。図５に示すように、クーロン散乱反応と核融合反応との発生確率を計算によって比較すると、クーロン散乱反応のほうが核融合反応よりも１００００倍ほど確率が高いことが分かる。しかし、本実施形態では、レーザ照射によってターゲット物質の阻止能を抑制するとともに、クーロン散乱反応をエネルギーフィードバックの手段として積極的に活用することで、シードイオンの核融合反応をターゲット１２の軸方向に亘って連続的に生じさせることが可能である。
【００４４】
サイドレーザ装置１４，１６によるレーザ照射を行わない追加部１２２では、ターゲット物質のイオン及び電子が冷めているため、イオンバンチＢは、ターゲット物質の核的阻止能及び電子的阻止能により、シードイオンの飛程に相当する短い距離の範囲内でその運動エネルギーをターゲット物質に引き渡し、ターゲット物質の温度を上昇させる。点火点ｐｉ以降では、核融合反応によるエネルギーの増幅分がターゲット物質を加熱するのに要する損失分を上回る（この現象を「核融合反応の点火」という。）ことで、サイドレーザ装置１４，１６によってエネルギーを供給せずとも核融合反応を生じさせることが可能である。これにより、サイドレーザ装置１４，１６によるレーザ照射の対象がターゲット１２の一部に限られ、核融合反応のゲインを増大させることができる。
【００４５】
（数値計算によるレーザ核融合装置の評価）
ターゲット１２の必要な長さ及び核融合反応によって生じるエネルギー量について、ＤＴ反応（重水素ＤとトリチウムＴとの核融合反応）を例に数値計算によって評価した結果を以下に示す。
【００４６】
図６は、本数値計算で用いるイオンバンチＢの成長モデルを示している。ターゲット１２の内部を移動するイオンバンチＢの粒子数（イオン総数）ＮＤ（ｚ）の変化は、次のように表すことができる。
【数１】
0005527536.tif 000002
【００４７】
ここで、右辺第２項は、核融合反応による粒子数の増減項であり、同第３項は、クーロン散乱反応による増減項であり、同第４項は、ターゲット側方からのレーザ照射による、ターゲット由来のイオンの増加項である。ここで、本数値計算の条件として、ターゲット１２の直径（ターゲット径）を２０μｍ、ターゲット１２の密度を液体密度の１０％に設定し、構成成分のモル分率Ｔ２：Ｄ２を１：１とした。密度の設定は、レーザの遮断密度に及ばないようにすることを考慮したものである。粒子数Ｎの初期条件は、ＮＤ（０）＝１０５とした。
【００４８】
図６のモデルを数式によって表すと、次のようである。反応行列部を行列Ｂとし、粒子数の線密度の変数をベクトルＮによって表している。
【数２】
0005527536.tif 000003
【数３】
0005527536.tif 000004
【数４】
0005527536.tif 000005
【００４９】
ここで、行列Ｂの成分について付言すると、例えば、第７行第１列の成分＋ｋ（ＲＴＤ＋ＲＴＴ＋Ｒ３Ｔａ＋Ｒ３Ｔｂ）は、トリチウム核Ｔ＋の粒子数ＮＴに乗じるものであることから、トリチウム核が関与してα粒子が生成される全ての反応の増加項が足し合わされている。方向係数ｋは、増加分（例えば、第１行第２列の＋ｋＲＤＤｂ）についてはその方向がイオンバンチＢの進行方向と整合する場合にのみイオンバンチＢの成長に寄与することから、乗じているものである。これに対し、減少分（例えば、第１行第１列の−（ＲＤＴ＋ＲＴＴ））についてはその方向によらず１００％の割合で消失するため、方向係数ｋを乗じる必要はない。第１行第６及び第７列、ならびに第２行第６及び第７列は、ターゲット物質とのクーロン散乱反応による増加を示しており、第４，第５，第６及び第７行夫々の第６及び第７列は、イオンバンチＢ中のイオン同士のクーロン散乱反応による増加及び減少を示している。左辺第２項のベクトルＳは、ターゲット側方からのレーザ照射によって増加するイオンの数の線密度を示している。行列Ｂの各変数について、その定義及び意味を後に掲げる表１〜３に示す。
【００５０】
（２）式を差分化し、単位行列をＥとおくことで、次式が得られる。
【数５】
0005527536.tif 000006
【００５１】
Δｚ（例えば、０．１μｍ）を与え、ベクトルＮを反復計算することで、任意の位置ｚにおけるベクトルＮ（ｚ）を算出することができる。
【００５２】
図７は、図６の成長モデルを用いた数値計算の結果を示している。図中曲線ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ及びｇは、Ｔ＋、Ｄ＋、３Ｈｅ、ｐ＋、α、高ｐ＋、高αの粒子数を夫々示す。ターゲット１２の全長を２ｍとし、ターゲット側方からパルスレーザＬｓ１，Ｌｓ２を照射する基礎部１２１の長さ（図２に符号ｌによって示す。）を１０ｃｍ、２０ｃｍ及び３０ｃｍと変化させた３例について数値計算を実施した。パルスレーザＬｓ１，Ｌｓ２の光強度は、レーザ照射したイオンのエネルギーが５０ｋｅＶに達するレベルを想定した。
【００５３】
計算結果を示す図７を参照すると、レーザ照射長を１０ｃｍとした場合（ａ）及び２０ｃｍとした場合（ｂ）において、エネルギーの増幅分が損失分を上回ることができず、ターゲット１２の途中でイオンバンチＢの粒子数が急激に減少している様子が確認される。これは、常温及び常圧の物質に入射した放射線が失活する現象に対応すると考えられる。
【００５４】
これに対し、レーザ照射長を３０ｃｍとした場合（ｃ）は、レーザ照射を停止する３０ｃｍの位置以降においてもエネルギーを増大させ得ることが分かる。これは、増幅エネルギーが距離ｚに対して指数関数的に増大するのに対し、損失エネルギーは距離ｚの一次関数値に抑えられることから、３０ｃｍよりも前の位置で増幅分が損失分を上回るためであると推察される。
【００５５】
レーザ照射長を３０ｃｍとした場合（ｃ）について、ターゲット１２からの出力イオンエネルギーは、ターゲット１２の終端ｅ２（ｚ＝２ｍ）における粒子数にイオン１個当たりの運動エネルギーを乗じた値を、全てのイオンａ〜ｇについて積算することで、６４．３ｋＪと見積もられる。ここで、１ｋｅＶ＝１．６０３×１０−１９ｋＪと変換した。
【数６】
0005527536.tif 000007
【００５６】
一方で、３０ｃｍの部分にパルスレーザＬｓ１，Ｌｓ２を照射することによって生じるイオンのエネルギー（入力イオンエネルギー）は、３０ｃｍの位置でのターゲット１２内の重水素核Ｄ＋及びトリチウム核Ｔ＋の粒子数から、３．２１８ｋＪと評価することができる。
【数７】
0005527536.tif 000008
【００５７】
従って、核融合反応のゲインＧは、出力イオンエネルギー＝６４．３ｋＪを入力イオンエネルギー＝３．２１８ｋＪで除した値として、約２０倍と見積もられる。
【数８】
0005527536.tif 000009
【００５８】
ここで、本実施形態では、後半の追加部１２２でターゲット１２の断面を拡大することで、核融合反応に寄与するターゲット物質の量を確保している。追加部１２２を円錐状とし、終端ｅ２におけるターゲット径を６ｍｍに設定したターゲット１２では、追加部１２２に含まれる全ての重水素核Ｄ＋の粒子数は、追加部１２２の体積に密度、モル変換係数及びアボガドロ数を乗じる次式から、１０２４個レベルであると見積もられる。
【数９】
0005527536.tif 000010
【００５９】
そして、その１／１０の重水素核がイオンバンチＢに取り込まれるとすると、追加部１２２付きのターゲット１２を通過するイオンバンチＢの粒子数は、１０２３個レベルとなる。これは、図７に示す終端ｅ２（ｚ＝２０００）での粒子数（１０１８個レベル）と比較すると、Ｇ＝１０２４／１０１８＝１０万倍の反応ゲインに相当する。一般的な慣性閉じ込めレーザ核融合装置や、磁場閉じ込め核融合装置の反応ゲインが概ね１００前後であることからすれば、本実施形態に係るレーザ核融合装置１の反応ゲインが非常に大きいことが分かる。
【００６０】
但し実際は、プラント全体での変換損失を計上する必要がある。そこで、レーザエネルギーが高速のシードイオンに変換される際の効率、入力電力をレーザエネルギーに変換する際の効率、及び発電装置２６の発電効率を、夫々２％、１％及び２０％とすると、正味の工学的な反応ゲインＧ（ｐｌａｎｔ）は、次のように４倍と評価される。
【数１０】
0005527536.tif 000011
【００６１】
このように、本実施形態に係るレーザ核融合装置１によれば、長尺状のターゲット１２の内部でシードイオンとターゲット物質のイオンとの核融合反応を生じさせるとともに、この核融合反応をターゲット１２の軸方向に亘って連続的に生じさせることができる。従って、爆縮によって燃料を圧縮させる方式のレーザ核融合装置におけるような燃料の不均一圧縮の問題を伴うことなく、核融合反応の回数を充分に確保して、実用レベルの安定したエネルギー出力を達成することができる。
【００６２】
【表１】
0005527536.tif 000012
【００６３】
【表２】
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【００６４】
【表３】
0005527536.tif 000014
【符号の説明】
【００６５】
１…レーザ核融合装置、１２…ターゲット、１２１…基礎部、１２２…追加部、１４…第１のサイドレーザ装置、１６…第２のサイドレーザ装置、１８…サブターゲット、２０…レーザ装置、２２…微細細線電極、２４…電圧印加装置、２６…発電装置、２８…電子回路、３０…真空装置、Ｂ…イオンバンチ、Ｌ，Ｌｓ１，Ｌｓ２…パルスレーザ。
【図１】
0005527536.tif 000015
【図２】
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【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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