(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器を備え、前記真空容器内のイオン生成領域で生じたイオンを前記真空容器内のイオン加速領域で加速する慣性静電閉じ込め核融合装置において、
前記イオン加速領域内の圧力を前記イオン生成領域内の圧力よりも小さくする手段を備えたことを特徴とする慣性静電閉じ込め核融合装置。
【請求項２】
真空容器と、真空容器内に配置された陽極と、前記陽極付近で生成されたイオンが加速されて向かう陰極とを備えた慣性静電閉じ込め核融合装置において、
前記陽極に排気口を設け、前記陽極の内側からの排気を前記排気口に連絡される排気手段によって前記真空容器外に排気することを特徴とする慣性静電閉じ込め核融合装置。
【請求項３】
前記陽極に設けられた全イオン引出し口の合計断面積よりも大きな断面積を前記排気口が有している請求項２の慣性静電閉じ込め核融合装置。
【請求項４】
前記排気口に導電性格子を設けた請求項２または請求項３の慣性静電閉じ込め核融合装置。
【請求項５】
前記陽極の内側に他の導電体格子を設けた請求項２乃至請求項４のいずれかの慣性静電閉じ込め核融合装置。
【請求項６】
前記陽極と前記第２導電体格子との間に、誘電体を配置した請求項５の慣性静電閉じ込め核融合装置。
【請求項７】
陽極外側で極性を周期的に反転させた磁場構造を設けた請求項１乃至請求項６のいずれかの慣性静電閉じ込め核融合装置。
【請求項８】
前記陽極に冷却配管を設けた請求項１乃至請求項７の慣性静電閉じ込め核融合装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、慣性静電閉じ込め核融合装置に係り、特に、中性子または荷電粒子を発生させるのに好適な慣性静電閉じ込め核融合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、慣性静電閉じ込め装置については、「プラズマ・核融合学会誌」第73巻第１０号第１０８０頁から第１０８５頁」に詳しく述べられている。球形の真空容器内に直径数１０cmの球形の陽極を配置し、この陽極の内側に、格子状の直径数cmの球形の陰極を配置している。陽極と陰極との間に、数１０〜１００ｋＶの高電圧を印加する。水素ガスのグロー放電により水素イオンが生成され、この水素イオンが陰極に向って加速される。格子状の陰極内部で水素イオン同士が衝突することにより、核融合反応が生じ、中性子または荷電粒子が発生する。陰極中心部に向かって加速された水素イオンは、核融合反応を起こさず中心部を通過した後も、高電圧による電界に引き戻され、再び中心部に戻ることを繰り返し、この往復運動により核融合反応の発生率はさらに高まる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、グロー放電により水素イオンが生成されるイオン生成領域と、水素イオンの加速領域とが同一である。
【０００４】
発明者等は、イオン生成領域とイオン加速領域が同一であるので、イオンの生成効率及びイオンの加速効率が低くせざるを得ないという問題点があることを発見した。すなわち、グロー放電に最適な圧力と、水素イオンの加速に最適な圧力とが異なるため、水素イオンの生成に適当な圧力を選べば水素イオンの加速の加速効率が悪く、水素イオンの加速が良好な圧力では、水素イオンの生成効率が悪くなる。以上述べた圧力は、何れも真空容器内の圧力である。
【０００５】
更に、その問題点を具体的に説明する。グロー放電には約１ｍTorr（１３３ｍＰａ）以上の圧力が必要である。一方、この圧力の水素ガス中での水素イオンの平均自由行程は１４.２cm であり、陽極の直径数１０cmよりも小さい。したがって、水素イオンは、陰極に向けて加速される途中で中性ガスと衝突し、エネルギを失う。核融合反応発生率は水素イオンのエネルギに大きく依存し、１００ｋｅＶ程度までのエネルギ領域では、１０％のエネルギ差が１桁近い核融合反応断面積の差となる。
【０００６】
水素イオンの平均自由行程は、圧力に逆比例するため、圧力を０.１ｍTorr   （１３.３ｍＰａ)とすれば、平均自由行程は１４２cmとなり、陽極直径よりも大きく、水素イオンの加速効率および核融合反応率は向上する。しかし、この場合、グロー放電によりプラズマを生成することは困難になる。つまり、イオンの平均自由行程が大きい場合、イオンが中性原子・分子を衝突電離する確率が小さく、したがってグロー放電を維持することが難しい。このように、グロー放電効率とイオン加速効率とは相反する要求であり、従来技術では、圧力を両者の妥協点に設定している。
【０００７】
本発明の目的は、イオンの生成効率及びイオンの加速効率を向上できる慣性静電閉じ込め核融合装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成する本発明の特徴は、真空容器を備え、前記真空容器内のイオン生成領域で生じたイオンを前記真空容器内のイオン加速領域で加速する慣性静電閉じ込め核融合装置において、前記イオン加速領域内の圧力を前記イオン生成領域内の圧力よりも小さくする手段を備えたことにある。
【０００９】
イオン加速領域内の圧力をイオン生成領域内の圧力よりも小さくできるので、イオン生成領域は圧力を高く、イオン加速領域は圧力を低くすることができる。従って、イオン生成効率および加速効率を向上させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、発明者等が得た新たな知見である、従来技術の問題点を解消するためになされたものである。
【００１１】
本発明の好適な一実施例である慣性静電閉じ込め核融合装置を、図１及び図２を用いて以下に説明する。本実施例の慣性静電閉じ込め核融合装置は、真空容器１，陽極２，陰極３，排気管９及び真空ポンプ１０を備える。球状の陽極２は、真空容器１内に配置される。格子状で球形の陰極３は、陽極２の内側に配置される。陰極３は電流導入端子１１に接続される。グロー電極４は、真空容器１内で陽極２の外側に配置される。グロー電極４は、陽極２を取囲んでいる。陽極２は、８個のイオン引出し口７を有し、更に真空排気口８を有する。真空排気口８は１つであり、その面積は全イオン引出し口７の合計面積よりも大きい。真空排気口８は、真空ポンプ１０に接続される排気管９に連絡される。ガス供給管１２が真空容器１に接続される。陽極２と真空容器１は、同電位とし、機械的にも接続されている。陰極３には電流導入端子１１により−１００ｋＶの電圧が印加される。
【００１２】
真空ポンプ１０が駆動され、陽極２より内側の空間のガスが真空排気口８から吸引されて排気管９を通して排気される。このため、陽極４より内側の空間、すなわちイオン加速領域６が負圧に維持される。イオン生成領域５（陽極４より外側の空間）内のガスも、陽極２に設けられたイオン引出し口７を介してイオン加速領域６内に吸引され、排気管９を通して排気される。このため、イオン生成領域５も負圧に維持される。イオン引出し口７はイオン生成領域５からイオン加速領域６へのガスの吸気口を兼ねている。
【００１３】
水素ガスがガス供給口１２より真空容器１内に供給される。グロー電極４と陽極１の間に数１００Ｖの電圧を印加することにより、グロー放電を起こしイオンを生成する。イオン生成領域５で生成されたイオン１３は、イオン引出し口７を通ってイオン加速領域６内に達し、ここで陰極３に向かって加速される。加速された各イオンが陰極３内で衝突することによって核融合反応が生じ、中性子及び荷電粒子（例えば、陽子）を発生する。
【００１４】
イオン生成領域５をイオンの生成に適切な高圧力とし、イオン加速領域６をイオンの加速に適切な低圧力とするには、前述したように、イオン引出し口７の全面積よりも、真空排気口８の断面積をより大きくすればよい。これについて以下に具体的に説明する。
【００１５】
陽極２の直径は約３０cmであり、陽極２に設けられた８個のイオン引出し口７の各直径は１０mmである。このとき、このイオン引出し口７のコンダクタンスは、
Ｃ１＝１２０（リットル／ｓ）
である。また、真空排気口８の直径は１００mmである。イオン引出し口７のコンダクタンスは
Ｃ２＝１５００（リットル／ｓ）
となる。イオン生成領域５の圧力をＰ１、イオン加速領域６の圧力をＰ２としたとき、Ｐ１＝０.００１（Torr），Ｐ２＝０.０００２（Torr）となるように、真空ポンプ１０により差動排気する。このとき、排気管９を通して排出されるガスの流量Ｑは、
Ｑ＝Ｃ１（Ｐ１−Ｐ２）＝０.０９６（Torr.リットル／ｓ）
となる。真空排気口８の下流側、すなわち排気管９内の圧力Ｐ３、及び真空ポンプ１０の排気速度Ｓは、
Ｑ＝Ｃ２（Ｐ２−Ｐ３）
∴  Ｐ３＝Ｐ２−Ｑ／Ｃ２＝0.000136（Torr）
Ｓ＝Ｑ／Ｐ３＝７０６（リットル／ｓ）
となる。すなわち、到達圧力０.１(ｍTorr），排気速度７００（リットル／ｓ）以上の能力を有する真空ポンプ１０が必要である。その能力を有する真空ポンプ１０としては、中型以下の拡散ポンプが適当である。
【００１６】
イオン生成領域５の圧力は０.００１Torr となり、グロー放電を生じさせるための必要条件は満たされる。イオン生成領域５で１cm3 当り１×１０11個の重水素イオンが生成されている場合、電子温度が２ｅＶであるとき、イオン飽和電流密度は９.６ｍＡ／cm2となる。従って、直径１０mm（面積０.７８５cm2）の１つのイオン引出し口７から引き出せる電流の最大値は約７.５ｍＡ であり、８個のイオン引出し口７では合計６０ｍＡとなる。電流値をさらに増加させるには、プラズマ引出し口７の個数を増やせばよいが、真空ポンプ１０の排気速度を上述よりも大きくする必要があり、真空ポンプ１０が大型化する。
【００１７】
イオン加速領域６の圧力はイオン生成領域５のそれよりも低い0.0002Torrとなり、水素イオンの平均自由行程は７１cmとなって陽極２の直径よりも十分大きく、イオン加速効率も向上する。
【００１８】
本実施例は、真空排気口８の全面積が全イオン引出し口７の合計面積よりも大きくし、イオン加速領域６を真空ポンプ１０で吸引している。真空排気口８とイオン引出し口７との面積の差、すなわちコンダクタンスの差により、陽極２で仕切られたイオン生成領域５及びイオン加速領域６の圧力を適切な値に維持できかつイオン加速領域６の圧力をイオン生成領域５の圧力よりも低くすることができる。このため、それぞれを適切な値に設定できるので、イオン生成効率および加速効率を向上させることができる。
【００１９】
本発明の第２の実施例である慣性静電閉じ込め核融合装置を、図３を用いて説明する。図３において、１３はイオンを示しており、イオン加速領域６内の等高線１４は、陽極２と陰極３の間の等電位面を示している。本実施例では、実施例１の構成に導電体格子１５を設けたものであり、他の構成は実施例１と同じである。導電体格子１５は真空排気口８に設置される。
【００２０】
真空容器１の内部、陽極２の背面（イオン生成領域５）で生成されたイオン１３は、イオン引出し口７からイオン加速領域６内に電界によって引き出され、陰極３へ向かって加速される。図３に示すように、イオン引出し口７近傍では、等電位面１４が変形し、電界がイオン引出し口７の中へ入り込むことにより、イオン１３をイオン加速領域６内に引き出すことができる。しかし、反面、イオン引出し口７部分での電界は歪むため、中心部の陰極３に向かう方向（半径方向）に直交する方向（周方向）の運動量をイオン１３に与え、これが陰極３内部でのイオン１３同士の衝突確率を下げることになる。導電体格子１５がない場合、真空排気口８において、イオン引出し口７の部分以上に大きい電界の歪みが発生する。導電体格子１５を設けた場合、導電体格子１５表面は陽極３と同電位となるので、図３に示すように電界の歪みは発生しない。また、導電体格子１５は格子であるため、真空排気のためのコンダクタンスが損なわれることはない。
【００２１】
陽極２の直径を３０cm、真空排気口８の直径を１０cmとすると、両者の面積比は３６である。歪んだ電界により軌道を曲げられたイオン１３が陰極３の中心部に収束できないと仮定すれば、その影響は１／３６である。核融合反応率は、イオン電流値の２乗に比例するので、本実施例を用いない場合、核融合反応率が  （３５／３６）の２乗倍、すなわち９４.５％に低下する。以上述べたように、本実施例によれば、真空排気口８での電場の歪みを抑制できるので、イオン軌道の歪みによる核融合反応率の約５％の低下を防ぐことができる。また、真空排気口８が陽極２に対して相対的に大きくなれば、本実施例を用いない場合の反応率の低下は、さらに大きい。本実施例は、第１実施例と同様に、イオン加速領域６の圧力をイオン生成領域５の圧力よりも低くすることができるので、実施例１と同様な効果を得ることができる。
【００２２】
本発明の第３の実施例である慣性静電閉じ込め核融合装置を、図４を用いて説明する。本実施例は、第２実施例の構成に、導電体格子１６を付加したものである。導電体格子１６は、陽極２の内面に設置されている。
【００２３】
導電体格子１６を設けることにより、導電体格子１６の表面が等電位面となる。イオン引出し口７からイオン加速領域６内に引出されて加速されたイオン１３は、核融合反応、及び陰極３との衝突で失われない場合、図４の矢印に示したように再び陽極２の近傍に戻る。このとき、イオン１３が保有するエネルギーは、イオン引出し口７から引出し時のエネルギーと同じ値であり、ほぼ０である。このため、イオン軌道上の運動においてわずかでもエネルギー損失があれば、イオン１３は陽極壁に衝突して失われることはない。しかし、エネルギー損失がない場合、あるいは、他のイオンからエネルギーを受け取った場合には、イオン１３は陽極壁に衝突し失われる可能性がある。導電体格子１６を設けることにより、その格子位置でイオンのエネルギーは０となり、ほぼ静止状態のイオン１３が導電体格子１６と陽極２の間に蓄積される。この部分の電位は、イオン１３が集まることによって陽極２よりもさらに正となり、それ以上のイオン１３が陽極壁に衝突することを防止する。従って、本実施例によれば、陽極壁への衝突によるイオンの消滅を抑制することができる。本実施例は、第２実施例で生じる効果も得ることができる。
【００２４】
本発明の第４の実施例である慣性静電閉じ込め核融合装置を、図５を用いて説明する。本実施例は、第３実施例に誘電体１７を設置したものである。誘電体１７は、陽極２と導電体格子１６との間に設置される。本実施例では、導電体格子１６の表面において速度が０にならないイオン１３が誘電体１７に衝突する。この結果、誘電体１７の電位を陽極２以上に押し上げる。これにより、定常状態に達した後では、イオン１３は、誘電体１７の電位に跳ね返され、誘電体１７または陽極２及び導電体格子１６に衝突しない。このため、イオンの損失を防ぐことができる。本実施例は、第３実施例と同じ効果を得ることができる。
【００２５】
本発明の第５の実施例である慣性静電閉じ込め核融合装置を、図６により説明する。本実施例は、第２実施例の構成に冷却配管１８を付加したものである。冷却配管１８は陽極２の外面に設置されている。冷却配管１８の設置により、陽極温度を、冷却配管１８内を流れる冷媒の温度程度、例えばその冷媒が水であるならば１００℃程度とすることができる。図１に示したように、陰極３は電流導入端子である排気管９のみにより支持されているので、イオンの衝突による損失を防ぐため、陰極自身に冷却構造をつけることは難しい。従って、陰極３は輻射冷却のみにより冷却される。このため、陰極３を取り巻く陽極２の温度を下げることにより、陰極の冷却効率を向上できる。本実施例は第２実施例で生じる効果も得ることができる。本実施例で用いられる冷却配管１８は、第２実施例以外の他の実施例にも適用できる。
【００２６】
本発明の第６の実施例である慣性静電閉じ込め核融合装置を、図７を用いて説明する。本実施例は、第１実施例の構成に永久磁石１９を付加したものである。永久磁石１９は、隣り合う磁石の極性が異なるように真空容器１の表面に取り付けられる。永久磁石１９の作用により磁力線２０が発生するので、イオンが磁力線２０を横切って運動し難いことにより、真空容器壁への衝突によるイオンの損失を抑制することができる。また、磁場は互いに反転しているため、イオン加速領域での磁場は非常に弱く、イオン加速軌道には影響しない。したがって、本実施例によれば、真空容器内部で生成するイオンの密度を上げることができ、核融合反応に関わるイオン数を増やすことができる。本実施例は、第１実施例で生じる効果も得ることができる。永久磁石１９は第２実施例から第５実施例のいずれにも適用できる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、イオンの生成効率及びイオンの加速効率を向上させることができる。これにより、陰極内での核融合反応率を向上でき、発生する中性子及び荷電粒子の強度を増加できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例である慣性静電閉じ込め核融合装置の縦断面図である。
【図２】図１の排気管を有する陽極の斜視図である。
【図３】本発明の第２の実施例である慣性静電閉じ込め核融合装置の縦断面図である。
【図４】本発明の第３の実施例である慣性静電閉じ込め核融合装置の縦断面図である。
【図５】本発明の第４の実施例である慣性静電閉じ込め核融合装置の縦断面図である。
【図６】本発明の第５の実施例である慣性静電閉じ込め核融合装置の縦断面図である。
【図７】本発明の第６の実施例である慣性静電閉じ込め核融合装置の縦断面図である。
【符号の説明】
１…真空容器、２…陽極、３…陰極、４…グロー電極、５…イオン生成領域、６…イオン加速領域、７…イオン引出し口、８…真空排気口、９…排気管、１０…真空ポンプ、１２…ガス供給口、１３…イオン、１５，１６…導電体格子、１７…誘電体、１８…冷却配管、１９…永久磁石。
【図１】
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【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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