(57)【要約】      （修正有）【課題】簡単な構成でありながら容易に核融合反応を生じさせることである。【解決手段】両端に設けられ、核融合燃料２２が充填される開口部２１１と、前記両端開口部２１１を連通して、軸Ｃ方向に延びる導入通路２１２と、前記導入通路２１２の軸Ｃ方向中央部に設けられ、前記核融合燃料２２を点火して核融合反応を生じさせる核融合部２１３と、を備え、前記導入通路２１２が、前記両端開口部２１１から前記核融合部２１３に行くに従って徐々に縮径するものであり、両端側から軸方向に沿ってレーザ光が照射されることにより、前記核融合燃料２２が前記導入通路２１２を前記核融合部２１３に進行するに従って、前記核融合燃料２２を爆縮させるものである。【選択図】図３
2008281397.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端に設けられ、核融合燃料が充填される開口部と、
前記両端開口部を連通して、軸方向に延びる導入通路と、
前記導入通路の軸方向中央部に設けられ、前記核融合燃料を点火して核融合反応を生じさせる核融合部と、を備え、
前記導入通路が、前記両端開口部から前記核融合部に行くに従って徐々に縮径するものであり、
両端側から軸方向に沿ってレーザ光が照射されることにより、前記核融合燃料が前記導入通路を前記核融合部に進行するに従って、前記核融合燃料を爆縮させるものである核融合燃料保持部材。
【請求項２】
回転体形状をなすものである請求項１記載の核融合燃料保持部材。
【請求項３】
前記導入通路の開口角度が、両端から照射されるレーザ光の集光角度とほぼ等しい請求項１又は２記載の核融合燃料保持部材。
【請求項４】
前記導入通路が、前記核融合燃料を爆縮するための爆縮用レーザ光、及び爆縮された核融合燃料を点火するための点火用レーザ光が通過する通路である請求項１、２又は３記載の核融合燃料保持部材。
【請求項５】
両端に設けられ、核融合燃料が充填される開口部と、前記両端開口部を連通して、軸方向に延びる導入通路と、前記導入通路の軸方向中央部に設けられ、前記核融合燃料を点火して核融合反応を生じさせる核融合部と、を有し、前記導入通路が、前記両端開口部から前記核融合部に行くに従って徐々に縮径するものであり、両端側から軸方向に沿ってレーザ光が照射されることにより、前記核融合燃料が前記導入通路を前記核融合部に進行するに従って、前記核融合燃料を爆縮させるものである核融合燃料保持部材と、
前記核融合燃料保持部材の核燃料導入通路の両端開口部に充填される核融合燃料と、
前記核融合燃料の外方に設けられ、レーザ光が照射されるアブレータと、を備えている核融合燃料カプセル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ核融合に関し、特に、効率よく容易に核融合反応を生じさせる核融合燃料保持部材及び核融合燃料カプセルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーザ核融合の方法としては、中心点火方式及び高速点火方式がある。
【０００３】
中心点火方式は、爆縮プラズマの中心に自然に発生する高温度プラズマ（ホットスパーク）を用いて固体燃料部分の重水素及び三重水素を核融合反応させる方法である。
【０００４】
この中心点火方式では、球殻燃料ペレットを球対称に爆縮する必要があるため、なるべく多数のレーザ光を用いるようにしている（例えば、大阪大学レーザーエネルギー学研究センターでは１２本、米国ロチェスター大学では６０本）。
【０００５】
そして、レーザ光を球殻燃料ペレットに三次元対称に照射し、均一爆縮させるとともに、同時に発生する球心衝撃波によって爆縮中心に高温のホットスパークを自動的に形成させて、それから発生するα粒子によって周囲の爆縮燃料を燃焼させようとしている。
【０００６】
しかしながら、ホットスパークの自動形成には、未だに実現していない。球殻ターゲットを圧縮すれば当然温度が上昇して、ホットスパークが少なくとも自然に核融合点火条件を満たすことができるのでは無いかとも思われるが、核融合燃料を所定圧力に圧縮するより先に温度が上がってしまい、球殻燃料ペレットの内部圧力が上昇してしまい、必要な高密度への圧縮が最終的に不可能となってしまうという問題がある。
【０００７】
また、球殻ターゲットを所定の圧縮率に爆縮するためには、多数本のレーザ光を三次元対称に照射する必要があるが、これは極めて難しいという問題もある。
【０００８】
一方、高速点火方式は、特許文献１に示すように、中心にホットスパークを持たない低温高密度の爆縮プラズマの一部をプラズマが膨張飛散するよりも短時間に超短パルス超高強度レーザで追加熱して核融合反応を起こす方法である。
【０００９】
この方法は、ホットスパークの自動形成を諦めて、外部から超高強度レーザ、例えばペタワットレーザを照射して加熱し、ホットスパークを形成させるアイデアであり、熱核融合中性子の発生量が数倍になることが確認されている。
【００１０】
しかしながら、ホットスパークを生じさせる程度まで爆縮しないにしても、依然として球殻燃料ペレットを３次元対称に爆縮する必要がある。
【００１１】
このようなことから、上記何れの方式においても、球殻燃料ペレットに複数本のレーザ光を３次元対称に照射して爆縮させる必要がある。
【特許文献１】特開２００１−１８３４８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、簡単な構成で効率よく且つ容易に核融合反応を生じさせることをその主たる所期課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
すなわち本発明に係る核融合燃料保持部材は、両端に設けられ、核融合燃料が充填される開口部と、前記両端開口部を連通して、軸方向に延びる導入通路と、前記導入通路の軸方向中央部に設けられ、前記核融合燃料を点火して核融合反応を生じさせる核融合部と、を備え、前記導入通路が、前記両端開口部から前記核融合部に行くに従って徐々に縮径するものであり、両端側から軸方向に沿ってレーザ光が照射されることにより、前記核融合燃料が前記導入通路を前記核融合部に進行するに従って、前記核融合燃料を爆縮させるものであることを特徴とする。
【００１４】
このようなものであれば、導入通路が開口部から核融合部に行くに従って徐々に縮径するものであるので、レーザ光を２方向から照射するだけで、極めて簡単に核融合燃料を爆縮することができるようになる。また、開口部、導入通路及び核融合部の形状を適宜設計変更することにより、所望の圧縮率を確保することができる。したがって、簡単な構成で容易に且つ効率良く核融合反応を生じさせることができるようになる。さらに、２本のレーザ光を用いて核融合反応を生じさせることができるので、利得（投入したエネルギ量と反応で得られるエネルギ量との比）を上げることができる。
【００１５】
核融合燃料保持部材の構造を更に簡単にするための実施の形態としては、回転体形状をなすものであることが望ましい。
【００１６】
核融合燃料の効率的な爆縮を実現するためには、前記導入通路の開口角度が、両端から照射されるレーザ光の集光角度とほぼ等しいことが望ましい。
【００１７】
また、本発明に係る核融合燃料カプセルは、両端に設けられ、核融合燃料が充填される開口部と、前記両端開口部を連通して、軸方向に延びる導入通路と、前記導入通路の軸方向中央部に設けられ、前記核融合燃料を点火して核融合反応を生じさせる核融合部と、を有し、前記導入通路が、前記両端開口部から前記核融合部に行くに従って徐々に縮径するものであり、両端側から軸方向に沿ってレーザ光が照射されることにより、前記核融合燃料が前記導入通路を前記核融合部に進行するに従って、前記核融合燃料を爆縮させるものである核融合燃料保持部材と、前記核融合燃料保持部材の核燃料導入通路の両端開口部に充填される核融合燃料と、前記核融合燃料の外方に設けられ、レーザ光が照射されるアブレータと、を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
このように構成した本発明によれば、簡単な構成で容易且つ効率よく核融合反応を生じさせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２０】
なお、図１は、本実施形態に係る核融合燃料カプセル２を用いた核融合装置１の模式的斜視図である。図２は、核融合燃料カプセル２の断面斜視図であり、図３は、核融合燃料保持部材２１の断面斜視図であり、図４は、核融合燃料２２の爆縮工程前の状態を示す模式的断面図であり、図５は、核融合燃料２２の爆縮工程後、点火工程を示す模式的断面図である。
【００２１】
＜装置構成＞
本実施形態に係る核融合装置１は、図１に示すように、核融合燃料カプセル２と、当該核融合燃料カプセル２が導入される熱交換真空容器３と、前記核融合燃料カプセル２を前記熱交換真空容器３内に導入するカプセル導入装置４と、熱交換真空容器３内に設置された核融合燃料カプセル２にレーザ光Ｌａ、Ｌｂを照射するレーザ装置５と、前記熱交換真空容器３に壁３１中に水を循環させる循環装置６と、核融合反応により発生した高温蒸気を用いてタービンを回すことにより発電する発電装置７と、を備えている。
【００２２】
以下、熱交換真空容器３、レーザ装置５及び核融合燃料カプセル２について、この順に説明する。
【００２３】
熱交換真空容器（炉容器）３は、核融合燃料カプセル２がカプセル導入装置４によって導入されるものであり、核融合反応によって生じるエネルギを熱に変換するための真空容器である。
【００２４】
具体的には、熱交換真空容器３は、ブラケット３１と、そのブラケット３１の周囲に設けられた遮蔽壁３２と、を備えている。ブラケット３１は、核融合パルス出力から炉壁を防護すること（中性子遮蔽）、中性子出力を熱に変換し、燃料であるトリチウムの増殖を行うという３つの機能を持つ壁であり、遮蔽壁３２は、ブラケット３１外に漏れ出た中性子を遮蔽する壁である。また、ブラケット３１は、例えば直径１０ｍ、高さ２０ｍで、内面は厚さ１ｍのトリチウム増殖機能を有する液体金属（ＬｉＰｂ）で覆われている。
【００２５】
レーザ装置５は、核融合燃料カプセル２の軸方向Ｃに対して、同軸上に対向して、約１００ｋＪのエネルギを有するレーザ光Ｌａ、Ｌｂを照射するものであり、核融合燃料カプセル２の核融合燃料２２を爆縮するための爆縮用レーザ光Ｌａ、及び爆縮された核融合燃料２２を高速点火するための点火用レーザ光Ｌｂを照射するものである。
【００２６】
レーザ装置５から射出されたレーザ光Ｌａ、Ｌｂは、パルス幅が２０ｐｓ程度なので、集光レンズ５６によって集光することが考えられる。また、軸外し放物面鏡によって集光することも考えられる。なお、軸外し放物面鏡及び集光レンズ５６は熱交換真空容器３内に設けるようにしている。
【００２７】
また、本実施形態では、爆縮用レーザ光Ｌａと点火用レーザ光Ｌｂは、核融合燃料カプセル２に照射される前に、レーザ束としてまとめられて、核融合燃料カプセル２に集光照射される。このとき、レーザ束は、点火用レーザ光Ｌｂを芯として、爆縮用レーザが、その点火用レーザ光Ｌｂの周囲を囲むようにまとめられて形成されている。
【００２８】
レーザ装置５の具体的な構成としては、図２に示すように、例えば、波長１．０５μｍの発振器５１と、当該発振器５１から射出される超短パルス光の種として、パルス幅を拡張しチャープパルスを形成するファイバストレッチャ５２と、光パラメトリックチャープパルス増幅器（ＯＰＣＰＡ）（副増幅器）５３と、主増幅器５４と、パルス幅を２０〜１００ｐｓに圧縮するパルス圧縮器５５等を有している。なお、図２において、５７は、主増幅器５４からの爆縮用レーザ光Ｌａと、パルス圧縮器５５からの点火用レーザ光Ｌｂとを１つのレーザ束にまとめるレーザ束生成部である。
【００２９】
次に、本発明に係る核融合燃料カプセル２について説明する。
【００３０】
核融合燃料カプセル２は、図３に示すように、核融合燃料保持部材２１と、核融合燃料２２と、アブレータ２３と、からなる。
【００３１】
核融合燃料保持部材２１は、図３及び図４に示すように、軸Ｃ方向に沿った回転体形状をなすものであり、両端に設けられて核融合燃料２２が充填される開口部２１１と、前記両端開口部２１１を連通して、軸Ｃ方向に延びる導入通路２１２と、前記導入通路２１２の軸Ｃ方向中央部に設けられ、前記核融合燃料２２を点火して核融合反応を生じさせる核融合部２１３と、を有している。具体的には、例えば金属製の直径１ｍｍ、軸方向長さ３．５ｍｍの円筒形状をなすものである。
【００３２】
開口部２１１は、円形状であり、核融合燃料２２が充填されるとともに、アブレータ２３により密閉される（図３参照）。両端に設けられた開口部２１１は、同一形状である。
【００３３】
導入通路２１２は、両端開口部２１１から核融合部２１３（軸方向中心部）に行くに従って徐々に縮径するものであり、両端側（核融合燃料カプセル２の左右）から軸Ｃ方向に沿ってレーザ光Ｌａ、Ｌｂ（レーザ束）が照射されることにより、核融合燃料２２が導入通路２１２を前記核融合部２１３に進行するに従って、前記核融合燃料２２を爆縮させるものである。また、導入通路２１２は、レーザ光Ｌａ、Ｌｂ（レーザ束）を集光するものである。
【００３４】
つまり、導入通路２１２の内面が、一端開口部２１１から軸Ｃ方向中心部に行くに従って徐々に縮径する、いわゆるコーン状をなすものである。導入通路２１２は、軸Ｃ方向中心部に対して左右対称に形成されており、導入通路２１２全体としては、コーン状の空間を頂部で連結した連結コーン状をなすものである。
【００３５】
また、導入通路２１２の開口角度は、図５及び図６に示すように、両端から照射されるレーザ光（レーザ束）の集光角度とほぼ等しい。つまり、導入通路２１２の中心軸（軸Ｃ方向）とレーザ束の中心軸とがほぼ一致するようにしている。これにより、アブレータ２３のほぼ全面がロケット作用を生じ、アブレータ２３が均一にロケット作用により進行するので、照射時間を制御するだけで、核融合燃料２２を均等且つ正確に爆縮することができる。
【００３６】
また、導入通路２１２はレーザ束が通過する通路であることから、爆縮用レーザ光Ｌａ及び点火用レーザ光Ｌｂが通過する通路となる。上述したように、導入通路２１２が一端開口部２１１から軸Ｃ方向中心部に行くに従って徐々に連続的に縮径するものであるので、レーザ光Ｌａ、Ｌｂの照射方向がずれている場合でも、レーザ光Ｌａ、Ｌｂは、導入通路２１２の内周面で反射されてアブレータ２３又は核融合燃料２２に照射される。これにより、従来に比べてレーザ光Ｌａ、Ｌｂの配置など核融合装置１の設計を格段に容易にすることができるとともに、核融合反応を爆縮及び高速点火を容易に行うことができる。
【００３７】
核融合部２１３は、爆縮された核融合燃料２２が高速点火されて、核融合反応を生じる領域であり、開口部２１１に充填された核融合燃料２２が核融合部２１３に到達した状態で、核融合燃料２２の圧縮率が約１００となるように、核融合部２１３の内径を設定している。
【００３８】
核融合燃料２２は、重水素及び三重水素を混ぜ合わせて冷却固化して形成したものであり、核融合燃料保持部材２１の核燃料導入通路２１２の両端開口部２１１に充填される。核融合燃料２２としては、その他、重水素及びヘリウム（３Ｈｅ）、重水素及びリチウム（６Ｌｉ）、重水素及びホウ素（１１Ｂ）等を冷却固化させたものであっても良い。爆縮用レーザ光Ｌａによって、固体密度の１００倍の圧縮燃料コアを形成するそのためには、気体燃料より液体又は固体燃料にする方が良い。
【００３９】
アブレータ２３は、核融合燃料２２の外方に両端開口部２１１を密閉するように設けられ、爆縮用レーザ光Ｌａ及び高速点火用レーザ光Ｌｂが照射されるプラスチック製の蓋である。アブレータ２３は、爆縮用レーザ光Ｌａが照射されることにより、その表面がゆっくりと蒸散（Ablation）し、その反動で残りのプラスチック蓋（タンパー部）が内部に押し込まれる。これは、ロケット作用とよばれ、アブレータ２３が初期厚みの８０％程度蒸散したときに、最も効率よくタンパー部が押し込まれる。
【００４０】
＜核融合燃料カプセル２の製作方法＞
本実施形態の核融合燃料カプセル２の製作方法としては以下の方法が考えられる。
【００４１】
例えば、１００気圧前後の高圧ＤＴガスを核融合燃料保持部材２１の導入通路２１２中に充填する。そして、液体ヘリウムでＤＴガスを冷却し、両端開口部２１１にＤＴ固体燃料層を形成する。その後、プラスチック製の蓋（アブレータ２３）を形成することにより製作することができる。
【００４２】
また、爆縮用レーザ光Ｌａによって、固体密度の１００倍の圧縮燃料コアを形成する必要があるが、爆縮以前の初期状態で既にできるだけ高密度状態を実現しておくことが経済的である。そのためには、初めに核融合燃料保持部材２１の開口部２１１をプラスチック製の蓋（アブレータ２３）でシールする。そして、その核融合燃料保持部材２１を、１００万気圧のＤＴガスの気体ボンベ中に配置する。そうすると、アブレータ２３からＤＴガスが浸透する。その後、平衡状態に至ったところで液体ヘリウムを用いて絶対温度の１０Ｋ以下に冷却を行いながらボンベを排気する。これにより、核融合燃料保持部材２１の導入通路２１２においてアブレータ２３の裏面にＤＴガスの氷が形成される。
【００４３】
固体燃料である核融合燃料２２は、反応容器内に導入配置されると、周囲の輻射熱によって３０ｍｓ程度で解けて、爆発的に気体に戻る。したがって、レーザの照射、爆縮、高速点火及び加熱の全プロセスは３０ｍｓ以内に終了させなければならない。なお、上記では、核融合燃料カプセル２に重水素を充填する場合の製作方法を示したが、重水素及び三重水素を混合した燃料を用いて製作する場合も同様の手順で行うことができる。
【００４４】
次に、核融合燃料２２の爆縮工程及び点火工程を説明する。
【００４５】
＜爆縮工程＞
核融合燃料２２の爆縮工程は、核融合燃料２２を爆縮する工程であり、図５に示すように、爆縮用レーザ光Ｌａ及び点火用レーザ光Ｌｂのレーザ束がレンズ５６により集光されて、アブレータ２３に照射される。そうすると、アブレータ２３は、爆縮用レーザ光Ｌａによってその表面が蒸散し、核融合燃料２２は、アブレータ２３のロケット作用により導入通路２１２内部に押し込まれる。このとき、核融合燃料２２は、導入通路２１２の内周面によって径方向に圧縮される。
【００４６】
＜点火工程＞
核融合燃料２２の点火工程は、核融合部２１３に押し込まれた核融合燃料２２を高速点火する工程であり、図６に示すように、爆縮用レーザ光Ｌａ及び点火用レーザ光Ｌｂのレーザ束がレンズ５６により集光されて、核融合燃料２２に照射される。そうすると、核融合燃料２２は、点火用レーザ光Ｌｂにより、以下の核融合反応を生じる。
【００４７】
Ｄ（ｎ＋ｐ）＋Ｔ（２ｎ＋ｐ）→ｎ（１４．１ＭｅＶ）＋α（３．６ＭｅＶ）
ここで、Ｄは重水素、Ｔは三重水素、ｎは中性子、ｐは陽子、αはα粒子を示す。
【００４８】
＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係る核融合装置１によれば、従来の核融合方法に比べて極めて簡単に核融合を行うことができる。つまり、導入通路２１２が開口部２１１から核融合部２１３に行くに従って徐々に縮径するものであるので、同軸２方向から爆縮用レーザ光Ｌａ及び点火用レーザ光Ｌｂを照射するだけで、核融合燃料２２の爆縮及び高速点火を行うことができる。また、爆縮用レーザ光Ｌａの通路及び点火用レーザ光Ｌｂの通路を共通させているので、レーザ装置５の配置など核融合装置１の構成を極めて簡単にすることができる。
【００４９】
また、核融合燃料保持部材２１の両端開口部２１１、導入通路２１２及び核融合部２１３の形状を適宜変更することにより、核融合燃料２２を所望の圧縮率に圧縮することができる。
【００５０】
さらに、レーザ本数を２本にすることができること、及び圧縮率が小さくても核融合反応を生じさせることができることから、具体的には、１００ｋＪのエネルギを有するレーザ光Ｌａ、Ｌｂを用いていること及び燃料圧縮率１００倍としていることから、大きな利得（投入したエネルギ量と反応で得られるエネルギ量との比）が期待できる。
【００５１】
＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。以下の説明において前記実施形態に対応する部材には同一の符号を付すこととする。
【００５２】
例えば、前記実施形態では、核融合燃料保持部材２１が、回転体形状をなすものであったが、回転体形状でなくても良い。
【００５３】
また、前記実施形態では、爆縮用レーザ光Ｌａと点火用レーザ光Ｌｂとを同時に照射するようにしているが、始めに爆縮用レーザ光Ｌａの爆縮工程が終わった後に点火用レーザ光Ｌｂを照射して点火工程を行うようにしても良い。
【００５４】
その他、前述した実施形態や変形実施形態の一部又は全部を適宜組み合わせてよいし、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の一実施形態に係る核融合装置の模式的斜視図。
【図２】同実施形態におけるレーザ装置の構成を主として示す模式的配置図。
【図３】同実施形態における核融合燃料カプセルの断面斜視図。
【図４】同実施形態における核融合燃料保持部材２１の断面斜視図。
【図５】同実施形態における爆縮工程を示す断面図。
【図６】同実施形態における点火工程を示す断面図。
【符号の説明】
【００５６】
１    ・・・核融合装置
２    ・・・核融合燃料カプセル
２１  ・・・核融合燃料保持部材
２１１・・・開口部
２１２・・・導入通路
Ｃ    ・・・軸
２１３・・・核融合部
Ｌａ  ・・・爆縮用レーザ光
Ｌｂ  ・・・点火用レーザ光
２２  ・・・核融合燃料
２３  ・・・アブレータ
【図１】
2008281397.tif 000003
【図２】
2008281397.tif 000004
【図３】
2008281397.tif 000005
【図４】
2008281397.tif 000006
【図５】
2008281397.tif 000007
【図６】
2008281397.tif 000008