(57)【特許請求の範囲】
【請求項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、
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、
ことを特徴とする核融合ターゲット材。
【請求項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。
【請求項３】
核融合反応を発生させるため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、
前記核融合ターゲット材は、
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、
を有し、
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り、
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。
【請求項４】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１０７４９４号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【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、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。
【０００９】
或いは、本発明の核融合装置は、核融合反応を発生させるための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、核融合ターゲット材は、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、を有し、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り、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。
【００１０】
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。
【００１１】
このような核融合ターゲット材、核融合装置、及び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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【発明の効果】
【００１５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】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２】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。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【符号の説明】
【００３７】
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）。
【図１】
0005629089.tif 000002
【図２】
0005629089.tif 000003