(57)【要約】【課題】  発電用途の熱核融合反応用の燃料として使用される新規な化合物であって、エネルギ出力が従来にも増して大きなものを提供する。【解決手段】  本発明による化合物は11ボロン重水素化物で、ボロン水素化物の類似化合物である。さらにこの化合物の製造方法も開示する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電用熱核融合反応の燃料としての11ボロン重水素化物の使用。
【請求項２】
電力出力がアルファ粒子と中性子によるものである
ことを特徴とする請求項１に記載の発明。
【請求項３】
前記11ボロン重水素化物が11B12D12である
ことを特徴とする請求項１に記載の発明。
【請求項４】
前記11ボロン重水素化物が11B10D10である
ことを特徴とする請求項１に記載の発明。
【請求項５】
前記11ボロン重水素化物が11B6D6である
ことを特徴とする請求項１に記載の発明。
【請求項６】
前記電力出力が主としてアルファ粒子により担送される
ことを特徴とする請求項１に記載の発明。
【請求項７】
前記11ボロン重水素化物が11B24D12である
ことを特徴とする請求項１に記載の発明。
【請求項８】
前記11ボロン重水素化物が11B20D10である
ことを特徴とする請求項１に記載の発明。
【請求項９】
前記11ボロン重水素化物が11B12D6である
ことを特徴とする請求項１に記載の発明。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は核融合発電用の新規な燃料に関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
化学においてボランはボロン（ホウ素）と水素の化学的化合物である。ボランは一般式BxHyとなる化合物の大きな基を含む。これらの化合物は自然には発生しない。多数の合成ボランが公知となっている。これらは幾つかの独立したグループ２分類される。一連のボランの名称はクラスターの位置関係についてこの一般式から取られたものである。
・ハイパークロソ（ギリシャ語「籠の上」に由来）閉じた完全なクラスター例えばB8CL8でわずかに歪曲したドデカヘドロンである。
・クロソ（ギリシャ語「籠」に由来）閉じた完全なクラスター例えばイコサヘドラルB12H122-。
・ニド（ラテン語「巣」に由来）Ｂがｎ＋１デルタヘドロンのｎ個の頂点を占有する例えばB5H9頂点が一つ不足したオクタヘドロン。
・アラキノ（ギリシャ語の「蛛の巣」に由来）ｎ＋２デルタヘドロンの頂点ｎ個を占有する、例えばB4H10頂点が２つ不足したオクタヘドロン。
・ハイフォ（ギリシャ語の「網」に由来）Ｂがｎ＋３デルタヘドロンの頂点ｎ個を占有する、おそらくB8H16でこの構造があり、３個の頂点が不足したオクタヘドロン
・コンジャンクト 上記の２又はそれ以上が相互に融合している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記第１の２つのグループを別にすると、ボランは形状的にポリヘドラル（多面体）である。例外の「クロソ」と「ハイパークロソ」の形態は対照的で等しい個数のボロンと水素原子を有する。しかし、ハイパークロソの形態だけが安定した中性の形態である。
【０００４】
ボロン水素化物のいずれも核融合反応に使用できるが、ハイパークロソ形態のB10H10又はB12H12が以下に挙げる２つの理由から好適な候補であると考えられる：
・対称性：籠状の形態は各種折り畳みポリヘドロンより大きい対称性で圧縮されることを示唆する強力な証拠が存在する。
・化学量論：ハイパークロソ形態のボロン水素化物は同数のボロンと水素原子を有する。プロトン（水素のイオン化した状態）とボロン原子を核融合で組み合わせようとする反応において、特に得られた荷電アルファ粒子から高電圧直流（HVDC）を得るような直接変換を考慮する場合、余剰電子を分離し電荷中性化作用を最小限に抑える必要がある。
【０００５】
これら２つの問題点の組み合わせが、ハイパークロソ形態のボロン水素化物がなぜ核融合燃料として使用する好適な形態であるかの理由を構成する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明の簡単な要約
本発明の好適な態様は発電用熱核融合反応用の燃料として11ボロン重水素化物の使用を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
好適実施例の詳細な説明
本発明は前述のボランのアイソトポログの作成に関するもので、重水素を水素に置換することによる。アイソトポログは国際純正応用化学連合（IUPAC）により次のように定義されている:「同位元素化合物（同位元素置換の個数）においてのみ異なる分子実体、例えばCH4、CH3D、CH2D2など」（出典：物理有機化学で使用される用語の手引き、［IUPAC推奨、１９９４年、１１３２頁］）
【０００８】
熱核物理学のどこかで同位体置換が多量の潜在的エネルギーを含む化合物を発生させることが示されている。最も劇的で関連性のある例は、水素爆弾の熱核反応において見出すことが出来る。この装置はリチウム重水素物を燃料として使用する。リチウム水素物によって熱核爆発物を製造することが可能で、これは実験的に確認されているが、重水素化物によるエネルギー出力の方が何倍も大きい。慣性閉じ込め核融合処理と水素爆弾のそれに対する類似性が与えられるとボロン重水素化物はｐ＋11Ｂ核融合反応において同様の特性を有すると仮定するのが妥当である。こうして得られる反応はここではＤ＋11Ｂとする。
【０００９】
全種類のボランのアイソトポログは同一の調製方法を用いて作成できるが重水素化化合物を水素化物に置換する。追加のエネルギー出力が追加の中性子および熱出力の形で取り出される。その他の高エネルギー粒子も発生するが慣性閉じ込め核融合エネルギー発生反応で使用される特定の重水素化ボランによって変化する。
【００１０】
従来の11B12H12型の慣性閉じ込め核融合反応において、エネルギー出力は主としてアルファ粒子による。これらが回収され当業者には周知の処理を用いて直接高電圧直流電気に変換される。ボロン重水素化物を燃料として使用する場合、２種類の状況が発生する可能性がある：
・第１の場合、例えば11B12D12などアルファ粒子と中性子の混合物が生成される。アルファ粒子からのエネルギーは前述したように抽出されるが、中性子が担持するエネルギーは周知のようなまた全ての従来技術の核分裂性反応炉で見られる従来技術の熱抽出により変換される。
・ボロン重水素化物例えば11B23D12の場合、ボロンイオンと重水素イオンの化学量論的比が存在し反応は主としてアルファ粒子を発生する。このエネルギーは当業者には周知の処理によって直接高電圧直流電気に変換される。
【００１１】
同位体純粋ボロン重水素化の方法：水素を重水素に置換する処理をここで考えると、この置換が発生する何らかの化学的処理を探すだけで良い。全ての場合で、重水素化した化合物の１つまたはそれ以上の特性の拡張が存在する。これと同じ状況がリチウム燃料核融合反応におけるリチウムにも存在する。ここで、リチウム水素化物から重水素化リチウムが置換され同様にして結果的にエネルギーの増加が発生する。これは経験的に確認されている。これらの実験はｐ＋Ｌｉ反応が１．７ＭｅＶ，２．３ＭｅＶでエネルギーを回収することを示しており、側鎖反応からの少量のエネルギーが１６．９ＭｅＶで得られることが示されている。一方、Ｄ＋Ｌｉ反応では事実上これのエネルギーの全部が２２．４ＭｅＶで放出される。
【００１２】
このデータを元に予想すると、p+11Bが８．７ＭｅＶで３個のアルファ粒子を得られるとするのは妥当ではない訳ではなく、D+11B反応は実質的にもっと高い出力を発生する。約２．６３ＭｅＶでp+11B反応の少量の中性子出力も発生する。重水素化燃料は高エネルギー中性子を発生し、エネルギーは２０〜２８ＭｅＶ近くである。これらの中性子は熱転移反応で使用して抽出可能な有意な量の熱エネルギーを発生させることが可能である。
【００１３】
ボロン重水素化物の製造：11ボロン重水素化物の作成には多数の経路が存在するが、好適な一般処理シーケンスは以下のような４つの処理ステップを含む：
１．アイソトープ分離
【００１４】
11Bを10Bから分離することが必要である。10Bは強力な中性子吸収体で核融合反応では有毒であろう。ボロンには２種類の安定したアイソトープが存在する：〜８０％の11Bと〜２０％の10Bである。幾つか公知の処理がこの分離で使用される。イオン交換はもっとも簡単に実施されるアイソトープ処理である。その他の処理としては電磁的分離、レーザー、遠心分離、および熱拡散がある。
【００１５】
例として、１９８０年にサクマらが提示した具体的イオン交換処理を考えてみる（日本化学会会報、５３巻７号、１８６０頁〜１９６３頁）。アイソトープ分離は、弱い塩基性アニオン交換樹脂「DailonWA21」またはこれの等価物を用いたカラムを通して純水と混合したホウ酸（B(OH)3)の溶出により行なわれる。
【００１６】
10B(OH)3+11B(OH)4-R = 11B(OH)3+10B(OH)4-R 式１
【００１７】
ここで−Ｒは樹脂相を表わす。ｐＨが６より低い場合のホウ酸B(OH)3の化学的態様は三方晶系平坦でテトラハイドロキシホウ酸（B(OH)4）はｐｈ１１より高い範囲で四面体である。
【００１８】
この処理では簡単な３カラム交換システムで１９．８４％から９１％へと濃縮を実現している。この処理の多重反復によると濃縮レベルを必要とされる１１％の範囲まで向上できる。この処理は実施が簡単で比較的危険性が低い。
【００１９】
別のイオン交換処理ではBF3とジメチルエーテルの間の交換処理を行なう。これらの例は好適な最終生成物を作成する濃縮方法で利用可能な方法の多様性を示している。他に多くのイオン交換が存在し、電磁的方法、レーザー、熱および遠心アイソトープ分離処理が利用可能で、これら全ては、充分な時間で実施した場合、11Bアイソトープ濃縮で９９．９９％を超える結果が得られる。この値は核融合燃料に使用するのに必要な値である。
【００２０】
典型的な濃縮範囲は１．０１から１．０４である。熱的ガス−液体間交換処理は高い分離値を有するが取り扱いが困難な処理技術と材料を使用する。得られる最終生成物はこれらの処理の各々から同一であるので、等価なアイソトープ濃縮レベルを仮定すると、処理の選択は困難さの度合と特定処理の支出経費の関数である。
２．ホウ酸からのボロンの生成
【００２１】
アイソトープ分離段階が完了したら、ホウ酸から純粋ボロンを生成することが必要となる。ホウ酸や硼砂からのボロン生成は公知である。ホウ酸からボロンを生成するための古典的反応はマグネシウムによる還元である。一般反応式は以下のようになる
【００２２】
11B2O3+Mg → 211B+3MgO   式２
【００２３】
ボロンを生成する他の反応が存在することが認識されておりこの処理にうまく使用することが出来る。この処理への参照はウォルフラムリサーチ参照データベーストピック記事でボロン化学について見ることが出来る。（scienceworld.wolfram.com/chemistry/BoronChemistry.html）
【００２４】
ボロンは又フルオロホウ酸塩から電解採取により商業的に有用な量で作成できることは特筆するに値する。クラウンエーテルを使用して溶媒抽出法により製造することも可能である。
【００２５】
ボロン製造処理の選択は前述のアイソトープ分離処理での処理の選択とその最終生成物で
３．ボロンの精製
【００２６】
ボロンは考えられる最高のレベルまで純化する必要がある。これは半導体業界で共通に実施されているようなフラットゾーン精錬の複数の段階でもっとも便利に実現される。この処理において、垂直方向に向けられたボロン・インゴットの一部を制御された環境下で融点まで加熱する。ボロン・インゴットの狭い領域が融解し、インゴット又はヒーターを移動させることにより、この融解したゾーンをインゴットに沿って移動させる。融解した領域は不純物固体を溶解して最上部のエッジに到達しインゴットの長さに沿って垂直方向に移動することで純粋な材料固体のウェークが後方で固化して残る。加熱サイクルの最後で、最上部には不純物が大量に含まれ、これをサンプルから切り取る。所望する純度に到達するまでこの処理を多数回反復する。純度９９．９９９％又はそれ以上がこの方法で容易に達成される。他の精錬方法が存在しこれも同じレベルの純度を実現できることは認識されよう。本説明はゾーン精錬法についてウィキペディア・ウェブサイト（en.wikipedia.org/wiki/Zone_refining）で参照した記事から採用した。
４．11ボロン重水素化物（11B12D12)の合成
【００２７】
この処理の最後のステップは重水素化ボロン製品の準備である。テトラ重水素ホウ酸塩（Na11BD4）は比較的共通の化学物質であるテトラ水素化ホウ酸塩と同じ処理で化合され、前述のステップから純化11Bを使用し重水素を反応中に水で置換する。テトラ重水素ホウ酸塩（Na11BD4）、重水素化ダイグライム（C6D14O3）と、重水素化ジメチル硫化物（(CD3)2S）が１５℃１時間にわたりボロントリフルオライド重水素化ジエチルエーテラート（11BF3*O(C2D5)2）で処理する。白色沈澱物が形成される。一般式は、
【００２８】
Na11BD4+C6D14O3+((CD3)2S)+(11BF3*O(C2D5)2) =
【００２９】
(11B12D12)+CD3CD2-O-CD2CD3+((CD3)2S)+Na11BF4 式３
【００３０】
反応混合物を２時間１００℃に加熱してから３時間１５０℃に加熱し11B12D122-の形成が得られる。この反応中に、ガスが発生するので安全にベント排気する必要がある。残留液体は重水素ジメチルサルフェート（(CD3)2S）と重水素ジエチルエーテル（CD3CD2-O-CD2CD3）の混合物である。次に、固形生成物をエタノール（C2H6O）に溶解し、非溶解性テトラフルオロホウ酸塩（Na11BF4）を瀘過する。これを反復再処理して11Bを回収することが出来る。
【００３１】
次にエタノールを蒸留して固形残渣を水に再溶解する。この水性溶液を次にトリエチルアンモニウム（C6H16CIN）で処理して11B12D12を〜８７％の収量で回収する。
【００３２】
11B12D122-+(CD3)2S+C6H16CIN+H2O = 11B12D12+副産物  式４
【００３３】
この一連の反応は安全性と純度制御の目的で不活性ガス（アルゴン）を充填したグローブボックス内で実施する必要がある。この合成方法はKnoth, W. H. et al, "B10H10とB12H12の派生化学"、米国化学会ジャーナル、（１９６２）８４、１０５６−７に最初に報告された業績から導き出されたものである。この業績は又米国特許第３，２６５，７３７号、３，１６９，０４５号、３，３２８，１３４号に記載されておりこれらでは本明細書に記載しているのと同様の方法を使用してB12H122-の調製を開示している。
【００３４】
前述の方法は有利にも図面の参照番号１に図示してあるような対称性分子である11B12D12の好適な形態で11ボロン重水素化物を作成している。図面において参照番号２はボロン原子を表わし、参照番号３は水素原子を表わす。
【００３５】
前述の説明から導かれることは、重水素かボロン化合物の製造の一般的方法論が存在することである。これは以下のステップから構成される：
・アイソトープ分離
・ボロンの生成
・ボロンの精製
・ボロンの重水素化
【００３６】
各ステップにおいて、後続の処理ステップで好適な最終生成物を作成するように適用可能な多くの方法が可能である。どの特定の処理を任意のステップで使用するかの選択は以下を含みこれに限定されない多数の要因によって決定される：
・機器の利用可能性
・安全面の考慮
・最終製品の純度
・コスト
・時間
【００３７】
特定の11ボロン重水素化物が合成されたら、これを使用することを予定している核融合処理に固有の形状に調製する。
【００３８】
本明細書で説明しているような化合物に繋がる11ボロン重水素物の製造には多くの変化が存在することは当業者には明らかであろう。
【００３９】
本発明は例として特定の実施例に関して説明してきたが、多くの変更および変化があり得ることは当業者には明らかであろう。したがって添付の請求の範囲は本発明の真の範囲と精神に含まれるものとしてこれらの変更および変化の全てを包含することを意図していることは理解されて然るべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は熱核融合反応に好適な燃料を図示する。
【図１】
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【国際調査報告】
2013505450.tif 000004