(57)【要約】      （修正有）【課題】放射性物質及び中性子等の危険な放射線を生成しない純粋な核融合反応を行う核融合発電装置および移動体推進装置を提供する。【解決手段】荷電粒子ビーム発生器を２組備え、燃料原子の組み合わせによって決まるクーロン障壁を超える速度で、真空容器５５の中心で荷電粒子ビームを対向して衝突させて核融合反応を発生し、核融合反応により生成したエネルギーを、荷電粒子の運動エネルギーから電磁誘導作用を原理として直接電気エネルギーとして取得する手段（一部のエネルギーは、熱として取り出す。）、並びに、移動体の推進手段とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料となる元素のガスを電離するなどして発生した荷電粒子をクーロン力により加速して荷電粒子ビームにする粒子加速器６２、荷電粒子ビームを収束する電子レンズ６３、クーロン力により荷電粒子ビームの飛翔方向を変える偏向器６４からなる「荷電粒子ビーム発生器」を２組備え、燃料原子の組み合わせによって決まるクーロン障壁を超える速度で、真空容器５５の中心で荷電粒子ビームを対向して衝突させて核融合反応を発生し、あらゆる方向に飛翔する高エネルギーの生成粒子の運動エネルギーを利用するもの（熱として利用するもの、直接電気エネルギーとして取り出すもの、或いは、物理反応、化学反応、並びに物理的な作用（推力）を利用するものを含む。）であって、２本の荷電粒子（燃料粒子）ビームを対向して衝突させて核融合反応を発生することを特徴とする荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項２】
荷電粒子（燃料粒子）ビームを間欠的に発生する粒子加速器６２（高周波粒子加速器）及び、核融合反応点を取り囲む切頂２０面体等の多面体３２を構成するように配置し、間欠的にあらゆる方向に高速で飛翔する生成粒子（荷電粒子）を電磁誘導作用により減速するとともに電気エネルギーを取り出す回生減速器６５（遅延回路６５ｄ及び減速グリッド６５ｂあるいは分布定数型の減速グリッドにより構成される。）を備えることを特徴とする、請求項１の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項３】
荷電粒子（燃料粒子）ビームを入射することにより、耐久性の高いセラミックなどの絶縁材料で作成した一方が細くなったテーパー形状の容器の内面を全反射し、細くなった先端の開口部に荷電粒子（燃料粒子）を収束することができるキャピラリー６３ｃを備えることを特徴とする、請求項１から２の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項４】
耐久性の高いセラミックなどの絶縁材料で作成した一方が細くなったテーパー形状の容器に加速電極と加速グリッド６２ａを配置し、先に負、次に正の両極性パルスを加え、立ち上がり波形を先鋭化するとともに先行する立下りより早くかつ正確に伝搬する特性を有する遅延回路６２ｄを通して、加速電極とグリッド６２ａに順次両極性パルスを加えることによって、クーロン力により荷電粒子を軸方向に圧縮するとともに容器の形状に従い半径方向にも圧縮して、荷電粒子（燃料粒子）バンチを打ち出すことができる進行波型粒子加速器６２ｔを備えることを特徴とする、請求項１から３の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項５】
目的外の核反応を抑制する手段として、
燃料粒子の組み合わせに応じた適切な速度で荷電粒子を衝突させる、
荷電粒子ビームに含まれる異原子核を偏向器６４で異なる方向に分離する、
粒子や分子を炉内に滞留・散乱させない、
炉内で荷電粒子の中和をしない、
炉内に電位勾配を設けて電子雲及び浮遊する荷電粒子を除去する、
生成粒子（荷電粒子）及び未反応燃料粒子６８ｎを回収するイオン回収路６８を設ける、
荷電粒子を穏やかに偏向または減速することで放射光の発生を抑える、
回収した荷電粒子を電荷質量分離器６４ｘにより分離して燃料粒子とする、
並びに、真空容器５５及び内部の部品は、二次粒子やガスを発生しない材料を使用する、
のうち、１つ以上の対策を行うことを特徴とする請求項１から４の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項６】
対向して打ち出す２本の燃料粒子ビームが、
重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）とヘリウム３原子核３Ｈｅであるもの、
双方共にヘリウム３原子核３Ｈｅであるもの、
重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）と三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）であるもの、及び、
双方共に重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）であるもの、
であることを特徴とする請求項１から５の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項７】
荷電粒子（核融合生成粒子及び未反応燃料粒子）をクーロン力により速やかに移送するための位相の異なる交流電圧を印加する電極を設けた、セラミックなどの絶縁材料で作成したイオン回収チューブ６８ｔを備えることを特徴とする請求項１から６までの荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項８】
核融合反応の生成粒子のエネルギーを由来とする熱（電磁誘導電流による発熱を含む。）を利用するエンジン（タービン、ピストン、容積可変軸流ネジポンプ等を内蔵するエンジンであって、発電を行うもの、機械的な力を利用するもの、噴射することで推力を得るものを含む。）であって、推進剤（外部から取り入れた空気、タンクに蓄えた気体、気化を前提とする液体を含む。）を加熱するための熱交換室（真空容器５５を取り囲む熱交換室５７の他、真空容器５５の内部に設けた冷却機構を含む。）を備えることを特徴とする請求項１から７までの荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項９】
推進剤５０（気体５０ａ、気化を前提とする液体、あるいは、気体と混合した紛体５０ｂ。）を高エネルギーの生成粒子と混合して加熱を行う混合反応室５８を備えることを特徴とする請求項１から８までの荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項１０】
真空中で推力を得るエンジンであって、核融合反応によって生成したあらゆる方向に飛翔する高エネルギーの粒子の一部を、
真空容器５５の一部を開放して特定の方向に放出、
生成粒子反射板９８ｒまたは生成粒子偏向器９８ｄを備えて飛翔方向を変えて放出、
あるいは、再加速器６７ｒを備えて生成粒子（荷電粒子）を再加速して放出することで推力を得ることを特徴とする請求項１から９までの荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項１１】
中性子を放出する核融合反応を使用する場合であって、真空容器５５を取り囲むように配置した中性子減速材１０で満たした熱交換室５７を備えることを特徴とする請求項１から１０までの荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射性物質を含まない、純粋な核融合反応を行う核融合発電装置並びに移動体の推進装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
核分裂反応を利用する発電については、２０１１年に発生した福島県における原子力発電所事故を発端として危険性が強く認識されることとなった。
核融合による原子力発電については世界中で精力的に研究が進められているが、安全な方式で、実用化の見通しを確立したものは未だ存在していない。
【０００３】
現在研究が進められている核融合炉の方式は、放射性物質を含む燃料による磁気プラズマ閉じ込め方式やレーザーなどを照射する慣性核融合方式の開発が行われている。
核融合反応の自己点火を目標としており、実現が容易とされる「Ｄ−Ｄ」反応（重水素同士の核融合反応）や「Ｄ−Ｔ」反応（重水素と三重水素の核融合反応）といった放射性物質を含む核融合反応の研究が中心である。
【０００４】
荷電粒子ビームを利用する研究も存在しているが、もっぱら磁気閉じ込め方式の核融合プラズマを加熱するため、あるいは、レーザー光の代わりに慣性核融合方式のペレットを照射すためであり、荷電粒子ビーム同士を衝突させることで核融合反応を発生する方式についての研究は見当たらない。
【０００５】
また、プラズマを使用する方法では、プラズマ内に核融合生成物質が蓄積すると、核融合反応が複雑になり、放射性物質も増えてしまう欠点がある。
また、現在研究されている多くの核融合反応炉は、熱を電気に変換するプロセスが必要となるため、プラントの規模が大きくなるとともに、電気への変換効率が低くなる原因となっている。
【０００６】
既に直接電気としてエネルギーを取り出すことができる磁気プラズマ閉じ込め方式の核融合炉について研究されているが、三重水素など放射性物質を含む反応を利用しているため、安全性に問題が残る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１８３１９４気体又は液体から指向性イオンビームを発生する装置
【特許文献２】特開２００６−１８９２２４動力用核融合炉
【特許文献３】特開２００６−３０８６０５磁気反転配位における制御された融合および直接的なエネルギー変換
【特許文献４】特開２００９−５１２９８５連続パルス進行波加速器
【特許文献５】特開２０１３−５２８３１０衝突を生じさせるための二つの粒子ビーム用加速器
【特許文献６】特開２００８０２２９９１エネルギー付与キャピラリー、エネルギー付与装置、および製造方法
【特許文献７】出願２０１４１３９２２７容積可変軸流ネジポンプ及び外燃機関
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】ＬＨＤにおけるＤ−３Ｈｅ核融合の検討ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ.ｎｉｆｓ.ａｃ.ｊｐ／ｒｅｐｏｒｔ／ＮＩＦＳ−ＭＥＭＯ−０２１．ｐｄｆ
【非特許文献２】トリチウムから見た核融合炉の成立性ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ.ｊｓｐｆ.ｏｒ.ｊｐ／Ｊｏｕｒｎａｌ／ＰＤＦ＿ＪＳＰＦ／ｊｓｐｆ２０１１＿０８／ｊｓｐｆ２０１１＿０８−５０３．ｐｄｆ
【非特許文献３】先進燃料Ｄ−３Ｈｅ 核融合におけるａｒｔｅｍｉｓ 直接エネルギー変換の実験則の研究ｈｔｔｐ：／／ｊａｓｏｓｘ．ｉｌｓ．ｕｅｃ．ａｃ．ｊｐ／ＪＳＰＦ／ＪＳＰＦ＿ＴＥＸＴ／ｊｓｐｆ２００８／ｊｓｐｆ２００８＿０２／ｊｓｐｆ２００８＿０２−１１７−ｊｐ．ｐｄｆ
【非特許文献４】進行波型直接エネルギー変換器の計算機シミュレーションｈｔｔｐ：／／ｊａｓｏｓｘ．ｉｌｓ．ｕｅｃ．ａｃ．ｊｐ／ＪＳＰＦ／ＪＳＰＦ＿ＴＥＸＴ／ｊｓｐｆ１９９９／ｊｓｐｆ１９９９＿１２／ｊｓｐｆ１９９９＿１２−１３９６−ｊｐ．ｐｄｆ
【非特許文献５】１.Ｄ−３Ｈｅ核融合の必要性と要請条件ｈｔｔｐ：／／ｊａｓｏｓｘ．ｉｌｓ．ｕｅｃ．ａｃ．ｊｐ／ＪＳＰＦ／ＪＳＰＦ＿ＴＥＸＴ／ｊｓｐｆ１９９５／ｊｓｐｆ１９９５＿０６／ｊｓｆｐ１９９５＿０６−４７１．ｐｄｆ
【非特許文献６】２．Ｄ−３Ｈｅ核融合反応の物理的特性ｈｔｔｐ：／／ｊａｓｏｓｘ．ｉｌｓ．ｕｅｃ．ａｃ．ｊｐ／ＪＳＰＦ／ＪＳＰＦ＿ＴＥＸＴ／ｊｓｐｆ１９９５／ｊｓｐｆ１９９５＿０６／ｊｓｐｆ１９９５＿０６−４７５．ｐｄｆ
【非特許文献７】３．Ｄ−３Ｈｅ核融合炉とＦＲＣ方式ｈｔｔｐ：／／ｊａｓｏｓｘ.ｉｌｓ.ｕｅｃ.ａｃ.ｊｐ／ＪＳＰＦ／ＪＳＰＦ＿ＴＥＸＴ/ｊｓｐｆ１９９５／ｊｓｐｆ１９９５＿０６／ｊｓｐｆ１９９５＿０６−４８１．ｐｄｆ
【非特許文献８】４．ＦＲＣプラズマの生成  ｈｔｔｐ：／／ｊａｓｏｓｘ.ｉｌｓ.ｕｅｃ.ａｃ.ｊｐ／ＪＳＰＦ／ＪＳＰＦ＿ＴＥＸＴ／ｊｓｐｆ１９９５／ｊｓｐｆ１９９５＿０６／ｊｓｐｆ１９９５＿０６−４９１．ｐｄｆ
【非特許文献９】７．直接エネルギー変換ｈｔｔｐ：／／ｊａｓｏｓｘ.ｉｌｓ.ｕｅｃ.ａｃ.ｊｐ／ＪＳＰＦ／ＪＳＰＦ＿ＴＥＸＴ／ｊｓｐｆ１９９５／ｊｓｐｆ１９９５＿０６／ｊｓｐｆ１９９５＿０６−５１６．ｐｄｆ
【非特許文献１０】８．Ｄ−３Ｈｅ核融合の燃料シズテムｈｔｔｐ：／／ｊａｓｏｓｘ.ｉｌｓ.ｕｅｃ.ａｃ.ｊｐ／ＪＳＰＦ／ＪＳＰＦ＿ＴＥＸＴ／ｊｓｐｆ１９９５／ｊｓｐｆ１９９５＿０６／ｊｓｐｆ１９９５＿０６−５２２．ｐｄｆ
【非特許文献１１】９．ヘリウム３資源［１］ｈｔｔｐ：／／ｊａｓｏｓｘ．ｉｌｓ．ｕｅｃ．ａｃ．ｊｐ／ＪＳＰＦ／ＪＳＰＦ＿ＴＥＸＴ／ｊｓｐｆ１９９５／ｊｓｐｆ１９９５＿０６／ｊｓｐｆ１９９５＿０６−５２６．ｐｄｆ
【０００９】
【非特許文献１２】Ｄ３Ｈｅ核融合生成陽子のエネルギー分布と 直接エネルギー変換ｈｔｔｐ：／／ｊａｓｏｓｘ．ｉｌｓ．ｕｅｃ．ａｃ．ｊｐ／ＪＳＰＦ／ＪＳＰＦ＿ＴＥＸＴ／ｊｓｐｆ２００２／ｊｓｐｆ２００２＿０７／ｊｓｐｆ２００２＿０７−６８５．ｐｄｆ
【非特許文献１３】３Ｈｅ３Ｈｅ核融合反応プラズマからの中性子発生の概算ｈｔｔｐ：／／ｊａｓｏｓｘ．ｉｌｓ．ｕｅｃ．ａｃ．ｊｐ／ＪＳＰＦ／ＪＳＰＦ＿ＴＥＸＴ／ｊｓｐｆ１９９０／ｊｓｐｆ１９９０＿１１／ｊｓｐｆ１９９０＿１１−４３０．ｐｄｆ
【非特許文献１４】３Ｈｅアドバンスド燃料核融合の展望ｈｔｔｐ：／／ｊａｓｏｓｘ．ｉｌｓ．ｕｅｃ．ａｃ．ｊｐ／ＪＳＰＦ／ＪＳＰＦ＿ＴＥＸＴ／ｊｓｐｆ１９８９／ｊｓｐｆ１９８９＿０１／ｊｓｐｆ１９８９＿０１−５．ｐｄｆ
【非特許文献１５】３．リニアコライダ衝突点におけるプラズマの利用ｈｔｔｐ：／／ｊａｓｏｓｘ．ｉｌｓ．ｕｅｃ．ａｃ．ｊｐ／ＪＳＰＦ／ＪＳＰＦ＿ＴＥＸＴ／ｊｓｐｆ１９９４／ｊｓｐｆ１９９４＿０４／ｊｓｐｆ１９９４＿０４−３６２．ｐｄｆ
【非特許文献１６】４．大気圧プラズマを点けてみようｈｔｔｐ：／／ｊａｓｏｓｘ．ｉｌｓ．ｕｅｃ．ａｃ．ｊｐ／ＪＳＰＦ／ＪＳＰＦ＿ＴＥＸＴ／ｊｓｐｆ２００８／ｊｓｐｆ２００８＿０１／ｊｓｐｆ２００８＿０１−１９．ｐｄｆ
【非特許文献１７】低周波パルス駆動大気圧プラズマジェットの微細化と時間分解計測ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｓｐｆ．ｏｒ．ｊｐ／ｊｓｐｆ＿ａｎｎｕａｌ０９／ＪＳＰＦ２６／ｐｄｆ／１ｐＤ１７Ｐ．ｐｄｆ
【非特許文献１８】ガラスキャピラリーによるガイド効果を利用した低速多価イオンマイクロビームの生成ｈｔｔｐ：／／ｂｅａｍ．ｓｐｒｉｎｇ８．ｏｒ．ｊｐ／ｌｏｃａｌｆｓ／ｂｅａｍ＿Ｗｅｂ／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ＿２００８／Ｉｋｅｄａ．ｐｄｆ
【非特許文献１９】ナノキャピラリーを有する大気圧プラズマジェットを用いたナノサイズ反応場の生成ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｓｐｆ．ｏｒ．ｊｐ／ｊｓｐｆ＿ａｎｎｕａｌ１０／ＪＳＰＦ２７／ｐｄｆ／０３Ｐ２６．ｐｄｆ
【非特許文献２０】未踏のルミノシティを目指すＳｕｐｅｒＫＥＫＢ加速器ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｋｅｋ．ｊｐ／ｊａ／ＰｕｂｌｉｃＲｅｌａｔｉｏｎｓ／ＤｉｇｉｔａｌＬｉｂｒａｒｙ／２０１１０６１８＿１＿Ａｋａｉ．ｐｄｆ
【非特許文献２１】ＫＥＫＢ加速器前人未踏のルミノシティを達成ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ−ａｃｃ．ｋｅｋ．ｊｐ／ｋｅｋｂ／Ｔａｌｋ／ｏｉｄｅ／１０％５Ｅ３４．ｐｄｆ
【非特許文献２２】２重ノズル型パウダージェットデポジション装置の開発ｈｔｔｐ：／／ｌｃｄｅｖ．ｋｅｋ．ｊｐ／ＭｅｃｈＷＳ／２００７／ＭＷ０７−０９Ｙｏｓｈｉｈａｒａ．ｐｄｆ
【非特許文献２３】磁気によるプラズマの加速（プラズマ銃と磁気進行波ピストン）ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｊｓｔａｇｅ．ｊｓｔ．ｇｏ．ｊｐ／ａｒｔｉｃｌｅ／ｊｓｐｆ１９５８／８／３／８＿３＿２３５／＿ｐｄｆ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
解決しようとする課題は、現在研究が進められている多くの核融合炉は、エネルギーを膨大な熱として取り出すこと、移動体で利用が困難なこと、並びに、放射性物質を含む核反応を利用するため、安全性に問題があることである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明は、放射性物質及び中性子等の危険な放射線を生成しない核融合反応のみを選択的に利用するとともに、核融合反応により生成したエネルギーを熱以外の形態に直接変換する手段として、荷電粒子の運動エネルギーから直接電気エネルギーとして取得する手段（電力変換手段）、並びに、移動体の推進手段について提案するものである。
【００１２】
表１は、非特許文献１に示される、重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）及び三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）を燃料とする核融合反応と生成エネルギーである。
表１  良く知られている核融合反応の例
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敢えて三重水素（３Ｈ、Ｔ）を含む核融合反応をリストしたが、中性子ｎ及び三重水素原子核３Ｈ（Ｔ）が含まれ、三重水素は、１ｇで３．６×１０１４Ｂｑ、半減期１２．３年の弱いβ線を放出してヘリウム３に崩壊するが、内部被ばくをすると大変危険な、常温で気体の放射性物質である。
これらの核反応を利用する核融合炉では、非特許文献２によると運転と並行して炉内のプラズマから三重水素（３Ｈ、Ｔ）の除去処理を同時に行う必要があるが、漏えい事故や破壊的な事故が起これば核分裂型原子炉と同様に炉内の三重水素（３Ｈ、Ｔ）が飛散する危険がある。
【００１３】
福島の原子力事故で発生した汚染水に含まれる三重水素（３Ｈ、Ｔ）の総量は、僅か１グラムに満たないとされるが、汚染水が溜まる一方で収拾がつかない状況にある。非特許文献１０に示されるように、２００ＭＷ程度の「Ｄ−Ｔ」反応を利用した実用核融合炉が稼働するには、年間数十キログラムの三重水素（３Ｈ、Ｔ）を燃料として取り扱うことになるが、貯蔵分は水素吸蔵合金を使用して飛散の危険性を回避するとしても、炉内及び分離処理中の放射性物質の飛散が考えられるので、稼働実績のある核分裂型原子炉よりも危険性の高いプラントであると認識すべきである。
【００１４】
中性子ｎは、重い原子核と反応することができ、核分裂型原子炉の核分裂反応において中心的役割を果たしてきた。中性子ｎ自体は、平均１５分で崩壊するため、核融合炉の運転を止めた後、短時間で影響が消滅すると考えられるが、炉心壁を脆化するなど、炉壁等への影響が大きい。また、中性子ｎは、電荷を持たないため、エネルギーを直接電気として取り出す手段が使えない。
【００１５】
表２は、放射性物質を発生しないヘリウム３原子核３Ｈｅを含む燃料を使用する核融合反応の一覧である。
表２  純粋な核融合反応の例
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「Ｄ−３Ｈｅ」反応では、約１８ＭｅＶのエネルギーが、ヘリウム原子核４Ｈｅ（アルファ粒子α）と水素原子核１Ｈ（陽子またはプロトン粒子ｐ）の飛翔という形で放出される。
「３Ｈｅ−３Ｈｅ」は、約１３ＭｅＶのエネルギーが、ヘリウム原子核４Ｈｅ（アルファ粒子α）と２個の水素原子核１Ｈ（陽子またはプロトン粒子ｐ）の飛翔という形で放出される。
この２種類の核融合反応は、放射性物質を含まず、かつ、荷電粒子のみが放出される核融合反応であるので、非特許文献３、４、９、１２等に提案されているように、直接電気エネルギーとして取得する手段が利用できる。
【００１６】
核融合反応を発生させるために、燃料となる物質の電子を剥ぎ取り、荷電粒子としたうえで、原子核が持つクーロン障壁を超える速度で衝突させる必要がある。
「Ｄ−３Ｈｅ」反応のクーロン障壁約５７５ｋｅＶに対して、生成エネルギーは、約３０倍の約１８ＭｅＶである。
「３Ｈｅ−３Ｈｅ」反応のクーロン障壁約１１５０ｋｅＶに対して、生成エネルギーは、約１１倍の約１３ＭｅＶである。
荷電粒子ビームの生成、加速に要するエネルギーが、電気エネルギーとして取り出し可能なエネルギー以下であることが求められる。これは核融合炉の一種の臨界条件に相当する。
【００１７】
重水素原子核２Ｈ（Ｄ）ビームとヘリウム３原子核３Ｈｅビームとを、クーロン障壁を越える速度で衝突させる方法については、粒子加速器による素粒子の研究のための衝突実験設備として多数の施設が現存しており、反応率自体は低いが、非特許文献２０、２１等に示されるとおり、研究レベルでは核反応を確実に発生させることができている。
ビームの密度が低いと、核融合反応を生じる確率が小さく、商用電力設備としては成立しない。商用電力設備として実用化するには、ビームの大電力化とビームの正確な収束、３．３％（「Ｄ−３Ｈｅ」反応の場合。）を大きく超える粒子が衝突して安定に核融合反応を生じること、並びに、各部が効率的であることが求められる。
【００１８】
放射性物質を出さないようにするためには、特定の反応以外の核融合反応を生じないようにしなければならない。非特許文献１３に、ヘリウム３原子核３Ｈｅのプラズマに、ヘリウム３原子核３Ｈｅのビームを打ち込む場合の副反応として、表３の反応が副次的に発生することが示されている。
副次的な核融合反応に、ガンマー線γ、ベリリウムＢｅ、リチウムＬｉが含まれる。
表３  プラズマ核融合の副反応例
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【００１９】
荷電粒子（燃料粒子）ビームを対向して衝突させる方式（以下、「荷電粒子ビーム衝突方式」という。）であれば、目的外の核反応を大きく低減し、「Ｄ−３Ｈｅ」反応、または「３Ｈｅ−３Ｈｅ」反応による核融合反応を選択的に発生することが出来る。
（荷電粒子ビーム衝突方式は、「Ｄ−Ｄ」反応や「Ｄ−Ｔ」反応による核融合を発生することができる。ただし、主反応に放射性物質が含まれるので、放射性物質の発生を抑制することはできない。）
【００２０】
粒子加速器により核反応を発生することができることは周知のことであるが、原子核の破壊実験（素粒子に関する探究）が中心であり、エネルギー装置として利用については、考えられてこなかった。
特定の核融合反応のみを選択的に発生させ、放射性物質の発生を抑制することができる。
放射性物質を排出しない「純粋な核融合」を行うため、荷電粒子ビーム衝突方式による「Ｄ−３Ｈｅ」反応若しくは「３Ｈｅ−３Ｈｅ」反応以外に選択肢は無い。
【発明の効果】
【００２１】
一切の放射性物質を出さない純粋な核融合反応による原子力発電装置、並びに、宇宙機、航空機、船舶、車両等の推進装置を提供することができる。
エネルギー改革をもたらすとともに、従来の手法とは異なる動力源による移動手段を提供することができ、廃棄物の処理などに応用できるなど、あらゆる分野での応用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】荷電粒子ビーム衝突型核融合炉の構成図
【図２】（ａ）燃料ビームの経路図、（ｂ）ビームの偏向詳細図
【図３】（ａ）回生減速器（五角形）の外観、（ｂ）回生減速器（六角形）の外観、（ｃ）回生減速器の断面図、（ｄ）回生減速器の等価回路、（ｅ）多面体（回生減速器の組立状態を示す図）
【図４】荷電粒子のレベルダイヤグラム
【図５】荷電粒子の飛翔図
【図６】（ａ）進行波型粒子加速器の説明図、（ｂ）加速電圧波形
【図７】航空機・宇宙シャトル（ａ）の正面図、（ｂ）上面図、（ｃ）エンジン縦断面図、（ｄ）エンジン横断面図、（ｅ）真空容器と熱交換室の部分拡大図、（ｆ）キャピラリー周辺図
【図８】噴射質量に対する噴射速度と推力
【図９】宇宙機（ａ）外観図、（ｂ）エンジン縦断面図、（ｃ）エンジン横断面図
【図１０】外宇宙探査機（ａ）正面図、（ｂ）上面図、（ｃ）エンジン断面図
【図１１】（ａ）「Ｄ−Ｄ」・「Ｄ−Ｔ」・「Ｄ−３Ｈｅ」複合炉
【図１２】（ａ）「Ｄ−Ｄ」・「Ｄ−Ｔ」複合炉、（ｂ）中性子遮蔽・熱−電気変換、（ｃ）イオン回収チューブ断面図、（ｄ）「Ｄ−Ｄ」反応粒子飛翔図、（ｅ）「Ｄ−Ｔ」反応粒子飛翔図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１は、荷電粒子ビーム衝突型核融合炉の構成図である。
荷電粒子ビーム衝突方式の核融合炉は、重水素（２Ｈ、デューテリウムＤ）及びヘリウム３（３Ｈｅ）の燃料ガス５２、５３、燃料ガスの荷電粒子発生器６１、粒子加速器６２、電子レンズ６３、磁気偏向器６４ｍ、真空容器５５、回生減速器６５、その他、図１には示していないが、イオン回収路６８、中和器（電子発生器）６９等からなる。
【００２４】
荷電粒子発生器６１は、燃料気体を電離し、加速器６２は、重水素原子核２Ｈ（Ｄ）を１６０ｋｅＶ、ヘリウム３原子核３Ｈｅを２４０ｋｅＶまで加速（何れも３，９１４ｋｍ／Ｓで同じ速度である。）して、真空容器５５の中央で衝突（核融合反応点は、図中の「向かい合う矢印」で示している。）させている。
【００２５】
不要な副反応を軽減するため、相対速度がクーロン障壁である５７５ｋｅＶを超えない速度（４００ｋｅＶ）で衝突させる。核融合した粒子は、水素原子核１Ｈ（陽子またはプロトン粒子ｐ）が１４ＭｅＶ（５１，７８０ｋｍ／Ｓ）で、ヘリウム４原子核４Ｈｅ（アルファ粒子α）が３．５ＭｅＶ（１２，９４５ｋｍ／Ｓ）で、互いに反対方向に飛翔する。
燃料粒子２Ｈと３Ｈｅの質量が異なるため、衝突に８０ｋｅＶの偏りを生じるが、ほぼ等方に飛翔する。
【００２６】
重水素原子核２Ｈ（Ｄ）とヘリウム３原子核３Ｈｅが衝突するときの反応断面積は、非特許文献１（図１．２−１）、非特許文献６（図２．２）によると、クーロン障壁が４００ｋｅＶ付近に極大（理論値の５７５ｋｅＶより小さい。）があり、約０．８ｂａｒｎｓ（１０−２４ｃｍ２）とされる。
ヘリウム３原子核３Ｈｅ同志のクーロン障壁は、２倍になるとされるが、反応断面積は、大きくない。
【００２７】
真空容器５５の中には、核融合反応によって生成した荷電粒子１Ｈ及び４Ｈｅの運動エネルギーを、電磁誘導作用により電気エネルギーとして取り出す装置である回生減速器６５が、核融合反応点（図中の向かい合う矢印で示す。）を取り囲むように配置している。
生成粒子１Ｈと４Ｈｅ（何れも正の電荷を持つ荷電粒子。）が飛び出すので、その運動エネルギーを熱として、そして、電磁誘導作用等により直接電気出力としてエネルギーを得ることができる。
【００２８】
図２（ａ）に、真空容器５５の中の回生減速器６５を取り去り、燃料粒子２Ｈ、３Ｈｅのビームの経路図を示す。（図１と異なっているが、ビームの経路は、偏向器６４により屈曲させて、回生減速器６５の間隙に設けている。）
真空容器の左右２カ所から燃料となる荷電粒子２Ｈ、３Ｈｅを打ち込み、磁気偏向器６４ｍにより燃料である荷電粒子ビームを１回または数回の偏向を行った上で、真空容器５５の中央で衝突させる。
【００２９】
燃料粒子のビームのうち核融合反応しなかった燃料粒子２Ｈ、３Ｈｅが、目的としない核融合反応を生じてしまうことを防ぐため、磁気偏向器６４ｍにより入射した燃料粒子と異なる方向に偏向し、未反応燃料粒子６８ｎとして分離して回収する。回収した未反応燃料粒子６８ｎは、精製の上、再び燃料として使用することができる。
図２（ｂ）に、ビームの偏向の詳細を示す。２つの磁気偏向器６４ｍの磁界の方向は、逆方向である。燃料粒子ビームに含まれる異種原子核を異なる方向に偏向するので、燃料粒子２Ｈ、３Ｈｅの純度を上げる働きもする。(分離した異種原子核同士が対向する粒子等と衝突しないように考慮する必要がある。)
【００３０】
重水素原子核２Ｈ（Ｄ）とヘリウム３原子核３Ｈｅとの間のクーロン障壁は、５７５ｋｅＶ（９４００ｋｍ／Ｓ）であるが、非特許文献１（図１．２−１）、非特許文献６（図２．２）によると、４００ｋｅＶのとき、「Ｄ−３Ｈｅ」核融合反応の反応断面積σは、約０．８ｂａｒｎｓ（１０−２４ｃｍ２）である。毎秒７．２８×１０２０個の粒子が、相対速度ｖ（７，８２８ｋｍ／Ｓ）で、直径０．２μｍに絞り込まれて、粒子密度ρの荷電粒子が他方の荷電粒子に打ち込まれるのであるから、長さ７．８３×１０８ｃｍの円筒を考えて、
ρ＝７．２８×１０２０／（π×（０．１×１０−４）２×７．８３×１０８）
≒１．４８×１０２１［ｃｍ３］
粒子数が１／ｅとなる平均自由行程λｅは、
λｅ＝１／（ρ・σ）
≒８４４［ｃｍ］
【００３１】
衝突の中央部では、各々の粒子が二分の１になっていること、反応領域が平均自由行程λｅを超えて左右に大きく広がることなどから、１０ｍを超える長い領域で核融合反応を生じることになる。
炉の長さが約１０ｍであった場合、磁気偏向器６４ｍで荷電粒子ビームを分離するまで核融合反応が続き、磁気偏向器６４ｍは核融合生成粒子に曝される。（１０ｍに亘って０．２μｍ以内に収束し、かつ、２種類の燃料ビーム（２Ｈと３Ｈｅ）を全域に亘って重ねることは、非常に難しい。）
【００３２】
核融合反応点（図中の向かい合う矢印で示す。）を取り囲むように回生減速器６５が入っており、高速で飛翔する荷電粒子の中に高周波電圧を加えた電極を置いて速度変調を加え、後方に配置した電極で、荷電粒子の密度変化を高周波電力として回収することができる。（電力として回収する方法については非特許文献４、９、１２などに多様な方法が提案されている。）
速度を失った荷電粒子は、正の電圧にバイアスされたイオン回収路６８の壁に衝突し、電子を得て中和し、気体として回収する。イオン回収路６８の壁を電極として、荷電粒子に残存する運動エネルギーを電力として回収することができる。（非特許文献１２に提案されている。）
【００３３】
核融合反応をせずに通り過ぎた粒子は、未反応燃料６８ｎとして回収する。
核融合反応生成粒子１Ｈ、４Ｈｅがあらゆる方向に等方に飛翔する。生成粒子が燃料粒子に衝突する比率は、燃料粒子のビーム径が０．２μｍと極めて小さいので、目的外の副反応を生じる率は、十分小さいと考えられる。
炉内に散乱した粒子についても、目的外の核反応の原因となるので、炉内部に電位勾配を付けるなどして回収することが望ましい。
【００３４】
次に、２，０００Ｈｚの周波数で粒子加速器６２を交流駆動することを考える。
荷電粒子は、駆動波形の１点に集められるから、加速した荷電粒子はパルス状のバンチが成形される。
燃料粒子の周期は、５００μＳであり、パルス幅が１０ｎＳであった場合を考える。
燃料粒子の速度が３，９１４ｋｍ／Ｓであるから、間隔１，９５７ｍ、長さ３．９ｃｍのバンチを形成する。
燃料粒子を同期して左右から０．５μｍに収束して打ち出すと、相対速度が７，８２８ｋｍ／Ｓで衝突するから、ほとんどの粒子が中央の約２ｃｍの範囲内で衝突する。
バンチの後部ほど未反応粒子が残る割合が多くなり、磁気偏向器６４ｍで偏向して未反応燃料粒子６８ｎとして回収する。
【００３５】
発電電力が２００ＭＷの荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０の、多面体３２（正五角形１２面、正六角形２０面の切頂二十面体）を構成する３２個の回生減速器６５は、１個当たり４．７〜７．２ＭＪのエネルギーを取り扱うことになる。
回生減速器６５の各部に循環する管を配置して冷却するが、エネルギーが集中する個所の温度は高くなる。
炉の大きさは、使用する材料の耐熱温度、取り扱うエネルギーに対する冷却能力などによって決まる。
また、炉内に使用する材料は、二次粒子やガスの発生が少ない材料を使用する必要がある。
【００３６】
電子レンズは、１ｍ以上離れた位置から、長さ４．７ｃｍの範囲において、０．５μｍ以内に収束する必要がある。（核融合反応点に近い位置に、電子レンズの配置を変更することは可能である。）
合掌状態は、ビームを太くした状態（収束しない状態）で少しずつ偏向方向を変えてビームを発射し、核融合反応が最大となる方向を探索する。さらに収束の度合いを上げて、最大反応方向を探ることを繰り返すことによる。荷電粒子ビームのバンチ全体が衝突するように磁気偏向器６４ｍの調整を繰り返す。（未反応燃料粒子６８ｎの回収路にセンサーを配置して、燃料粒子ビームの方向を把握する方法も考えられる。）
【００３７】
核融合反応の結果生成された水素原子核１Ｈ（陽子、プロトン粒子ｐ）とヘリウム原子核４Ｈｅ（アルファ粒子α）は、異なる速度で飛翔するので、回生減速器６５に到達する時刻も異なる。
回生減速器６５は、総エネルギーの８０％を占める水素原子核１Ｈ（ｐ）の減速に最適化するように設計されている。
【００３８】
遅れて到達したヘリウム原子核４Ｈｅ（α）は、若干加速された上で、減速を受けるが、誘起する電圧が低く、十分エネルギーの回収ができない可能性が考えられる。
また、遅れて到達したヘリウム原子核４Ｈｅ（α）が水素原子核１Ｈ（ｐ）の減速により追いつき、一緒に減速する方法が考えられる。すなわち、減速グリッド６５ｂの間隔を空ける方法、または、水素原子核１Ｈ（ｐ）のみを減速する１段目の回生減速器と、間隔を空けてヘリウム原子核４Ｈｅ（α）が追いつき一緒に減速する２段目の回生減速器に分ける方法などが考えられる。      
【００３９】
振動による収束位置の変動は、合掌状態のズレを引き起こし、核融合反応が途絶える原因となる。免震及び防振対策を行うが、衝突までの燃料粒子の飛翔時間を厳密に同一にすることで、炉の振動による影響を相殺し軽減することができる。
【００４０】
図３（ａ）から（ｆ）は、回生減速器６５の形状、構成および飛翔する生成粒子１Ｈ、４Ｈｅから直接電力を得る原理の説明図である。
生成粒子１Ｈ、４Ｈｅは、あらゆる方向に均等に飛翔するので、正多面体、準正多面体などの面の構成方法を参考に、核融合反応点を中心に隙間なく取り囲むように回生減速器６５を配置している。
【００４１】
半径方向にパルス状に飛翔する生成粒子１Ｈ、４Ｈｅ（いづれも正電荷）によるグリッド６５ｂに発生する誘導電荷（負）を、生成粒子１Ｈ、４Ｈｅの飛翔速度より遅延して次のグリッド６５ｂに伝達するので、後方から生成粒子１Ｈ、４Ｈｅに制動をかけるとともに、さらに誘導電荷が加わって伝播することになる。回生減速器６５により生成粒子１Ｈ、４Ｈｅの運動エネルギーが電気エネルギーに変換される。
【００４２】
図３（ａ）及び（ｂ）は、個々の回生減速器６５の外観を示す。五角形または六角形の複数の減速グリッド６５ｂを積み重ねた形状で、（ｃ）の断面図及び（ｄ）の等価回路で示すように、遅延回路６５ｄから構成されている。
五角形及び六角形の回生減速器６５は、（ｅ）の多面体３２（切頂二十面体）を構成するように組み立てる。
【００４３】
図３（ｃ）に示すように、十分に減速した生成粒子１Ｈ、４Ｈｅが、真空容器５５の内部に滞留しないように、負電圧を加えた加速グリッド６７ａを配置し、イオン回収路６８に導くよう電位勾配を付けている。
導電性材料で作られたイオン回収路６８内部で、電子を加えて中和して気体に戻して回収するとともに、生成粒子１Ｈ、４Ｈｅの電荷を電流に変換している。  
【００４４】
真空容器５５の内部で電子を与えて中和すると、気体分子（１Ｈ、４Ｈｅ）が滞留する原因となるので、イオン回収路６８の内部で磁場絶縁ダイオードを構成するなどし、電子や気体分子（１Ｈ、４Ｈｅ）が反応器の中心部に戻らないようにする。
燃料粒子２Ｈ、３Ｈｅを偏向するとき、生成粒子１Ｈ、４Ｈｅを減速するときなどに放射光を生じるが、放射光の照射を受ける箇所にも、電子雲を発生させない対策及び電位勾配を設けて除去する対策が必要である。
【００４５】
回生減速器６５を構成する減速グリッド６５ｂや遅延回路６５ｄは、その表面がセラミックなどの絶縁材料でおおわれており、生成粒子１Ｈ、４Ｈｅの衝突により正電位に帯電し、正電圧にバイアスされるので、同一の極性の電荷が反発するので、時間の経過とともに荷電粒子１Ｈ、４Ｈｅの衝突が減少する。
【００４６】
２層目以降のグリッドは、前層のグリッドの影響を考慮して、生成粒子１Ｈ、４Ｈｅの衝突の少ない位置に配置している。
遅延回路６５ｄの中心側の先端は、絶縁されていないので、生成粒子１Ｈ、４Ｈｅが最初の減速グリッド６５ｂに達する直前に正電荷パルスを受け取り、順次減速グリッド６５ｂに正パルスを伝達し、効果的に生成粒子１Ｈ、４Ｈｅの減速を行う。（炉内で荷電粒子の中和を行うことになる。中性化した粒子を回収する必要がある。）
初段の減速グリッドは、生成粒子の速度が光速の１７％と早いため、グリッド内の伝播が不均一となるので、集中定数の遅延回路を使用せずに、分布定数のグリッド６５ｆとしている。
【００４７】
生成粒子１Ｈ、４Ｈｅの衝突に伴い発生する回生減速器６５の熱は、遅延回路６５ｄの内部に設けた冷却パイプを通して取り出し、イオン回収路６８で回収し中和された気体の熱と合わせて、発電に使用する。
真空容器５５の内部に荷電粒子や電子が滞留しないように、恒常的または休止期間中に電位勾配を与えて、内部のクリーニングを行う。
【００４８】
図４は、荷電粒子のエネルギーレベルダイヤグラムである。
荷電粒子発生器６１で発生した荷電粒子２Ｈと３Ｈｅを、粒子加速器６２により、それぞれ、１６０ｋｅＶ、２４０ｋｅＶまで加速し、核融合炉の中心で衝突させて核融合反応を発生する。
核融合反応により水素原子核１Ｈ（陽子ｐ）が１４ＭｅＶ、ヘリウム原子核４Ｈｅ（アルファ粒子α）が３．５ＭｅＶのエネルギーを持って飛翔し、回生減速器６５によりエネルギーを失い減速することを表している。
【００４９】
図５は、荷電粒子ビーム衝突型核融合の荷電粒子の飛翔状況を表している。
縦軸は、核融合反応点を中心とする半径（ｍ）を示している。半径３と−３からゼロに向かう２本の直線は、２つの偏向器６４から中心に向かう燃料粒子２Ｈ、３Ｈｅの飛翔を、ゼロから半径６に向かう２本の破線は、未反応燃料粒子６８ｎを、２本の曲線は、核融合反応で生成した荷電粒子１Ｈ、４Ｈｅの全方向への飛翔及び回生減速器６５による減速の様子を示している。
横軸は、時間軸（μＳ）である。（偏向器６４の間隔が６ｍ、繰り返し周波数２，０００Ｈｚの場合である。）
【００５０】
核融合反応で発生した生成粒子の飛翔速度が異なるので、最初に水素原子核１Ｈ（ｐ）の集団が回生減速器６５に到達し、減速を受ける。次にヘリウム原子核４Ｈｅ（α）の集団が到達し、遅延回路６５ｄの遅延速度より遅い間は減速を行わず（むしろ加速する。）、遅延回路６５ｄの遅延時間が大きくなる領域で減速を受ける。
【００５１】
回生減速器６５の電気出力は、生成粒子１Ｈと４Ｈｅに対応するパルス電圧として、出力される。
未反応燃料粒子と燃料粒子が交差すると、不要な核融合反応を生じるので、交差しないようにする必要がある。（図５の飛翔状況であれば、交差していないが、パルス間隔を小さくすると交差することがあり得る。）
熱時定数が無いため、粒子加速器６２の駆動信号に対する発電出力の応答は、極めて高速である。
【００５２】
非特許文献１６、１７などに大気圧プラズマの簡易な発生方法が示されている。また、非特許文献２３にプラズマの加速方法が研究されているが、これらの方法では、間隔３，９１４ｍの荷電粒子を長さ３．９ｃｍのバンチ（時間間隔５００μＳ、パルス幅１０ｎＳ）に圧縮するには十分でない。（非特許文献２０、２１などに紹介されている研究用の高周波粒子加速器では可能と考えられる。）
【００５３】
図６（ａ）は、荷電粒子発生器６１と進行波型粒子加速器６２ｔの説明図であり、回生減速器６５の電気出力を加速電圧として利用する方法を説明している。
外部から電力を供給するか、回生減速器６５の正と負のパルス出力を各々整流し、コンデンサに蓄える。
荷電粒子発生器６１で燃料ガスから荷電粒子２Ｈまたは３Ｈｅを発生し、粒子透過膜６１ｓを使用するなどして荷電粒子のみを透過することで、燃料気体（分子）の混入を阻止し、純度の高い荷電粒子を供給する。グリッド６１ａに負の電圧をかけて荷電粒子を誘導している。
【００５４】
進行波型粒子加速器６２ｔは、石英やセラミックなどの丈夫な絶縁体でテーパー状に形成された容器の外側に複数の環状の電極を設け、内部に電気的に絶縁された複数の加速グリッド６２ａを設けている。
進行波型粒子加速器６２ｔの電気的に絶縁された容器の内面に荷電粒子が帯電することにより、次第に荷電粒子が反発するようになるので、進行波型粒子加速器６２ｔの内壁や加速グリッド６２ａに衝突しなくなる。
加速グリッド６２ａは、荷電粒子のエミッションを増加させないように、荷電粒子を正確に容器の先端に向けて加速するために設けている。容器の直径が小さい部分では、加速グリッド６２ａを省略している。
【００５５】
加速グリッド６２ａの各段の電極には、荷電粒子を低速から徐々に、かつ、エミッションを増加させずに効率よく加速する加速電圧が、遅延回路６２ｄから加えられる
任意の時刻に遅延回路６２ｄに両極性パルスを加えることで、単発の荷電粒子バンチを発生することができる。
（荷電粒子発生後は、遅延回路６２ｄをゼロボルトに戻し、荷電粒子発生器６１で発生した荷電粒子を進行波型粒子加速器６２ｔの内部に蓄積する。）
【００５６】
荷電粒子のバンチを発生するには、スイッチ６２ｓを切り替えて、最初に遅延回路６２ｄに負電圧（−）を加え、次に正電圧（＋）を加える。遅延回路６２ｄに、最初に負、次に正の電圧が図の右方向に伝播する。
遅延回路６２ｄの各段から、進行波型粒子加速器６２ｔの周囲に設けた電極及び加速グリッド６２ａに遅延した両極性パルスの電圧が現れる。帯電によるバイアスが加わってくるが、荷電粒子は、電極及び加速グリッド６２ａの負の電圧に引かれ、正の電圧に反発して加速する。
【００５７】
遅延回路６２ｄは、５００μＳの間隔で１０ｎＳのバンチを送出するため、進行方向に向けて順にインピーダンスが小さい素子を配置し、軸方向に荷電粒子を圧縮するための電圧の波形を発生している。
遅延回路６２ｄの各段は、ダイオードとスイッチを介して接続しており、パルス波形の上りと下り（電流の向き）で遅延時間が大きく異なる構成となっている。
先行する負のパルスより、後の正のパルスの立ち上がりの伝播速度の方が速く、荷電粒子のバンチを進行方向に圧縮しながら進むように構成している。
【００５８】
さらに、各段のスイッチＳ1からＳｎは、炭化シリコンなどの半導体のスイッチを使用して、前段の電圧が十分に高く（または低く）なった後に導通させることで、負から正へ（または正から負へ）の波形の立ち上がり（または立ち下り）を鋭くするため、一時的にインダクタンスとキャパシタンスの共振回路を構成し、共振波形の半サイクル（負または正のピークから、逆極性のピークまで。）で、電荷を無駄なく転送している。
図６（ｂ）に、バンチ送出時刻を０とする、加速電圧の波形を示す。全ての端子（ノード）を示すことが出来ないので、Ｎ０からＮ３、Ｎ１３及びＮ１４を示す。
【００５９】
スイッチＳ1からＳｎの開閉を、基準信号を用いて正確に行うことによって、重水素原子核２Ｈとヘリウム３原子核３Ｈｅの２つの進行波型粒子加速器６２ｔ相互間の同期をとり、それぞれの荷電粒子のバンチを正確に同時に発射することができる。  
荷電粒子は、容器のテーパー形状に従い断面積を縮小しながら加速するとともに、軸方向にも圧縮し、荷電粒子のバンチを形成して所定の速度で打ち出される。
遅延回路６２ｄの出力（粒子の加速後に残った電力）は、図には示していないが、整流して再利用することができる。
進行波型粒子加速器６２ｔは、遅延回路６２ｄと一体化して構成することができる。
【００６０】
表４  発電プラントの燃料消費量
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表４は、効率が１００％であるとして、電気出力２００ＭＷの発電プラントの燃料消費量を計算した。
核融合反応率が８０％、電気変換効率が８４％の合計６７％の効率であるとすると、１年間稼働するのに、重水素（２Ｈ、Ｄ）が、１１．５ｋｇ、ヘリウム３（３Ｈｅ）が、１７．３ｋｇの燃料が必要である。（未反応燃料の再利用、回収した熱による発電を含まない。）
重水素（２Ｈ、Ｄ）は、海水中に十分存在するが、ヘリウム３（３Ｈｅ）は、地球上に殆ど存在しない。非特許文献１１に示されるように、月や小惑星などに豊富に存在するとされ、採取は可能と考えられる。
【００６１】
また、燃料である二種類の荷電粒子２Ｈ及び３Ｈｅのイオン電流は、合計約３５Ａに達し、これを真空容器５５の中心の０．５μｍ以内に収束し、衝突させなければならない。
荷電粒子発生器６１及び粒子加速器６２をそれぞれ２台で１対を構成するが、１つのビーム衝突型核融合炉６０の真空容器５５に、異なる角度で複数の対を配置することができる。この場合、異なる対の間で目的外の核反応を起こさないため、燃料ビームの投入タイミングや位置を調整する必要がある。増力運用や予備として利用できる。
【００６２】
放射性物質の燃料を扱わない、唯一の核融合発電プラントである。如何なる過酷な事故が発生した場合でも、荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０の内部に放射性物質が存在していないので、放射能の飛散は皆無であり、安全である。
実際の核融合炉の構築に当たっては、高エネルギーの荷電粒子を取り扱うのであるから、目的外の原子核反応を生じないように設計しなければならない。
【００６３】
図７は、加熱型ジェットエンジン８１の実施例である。（実施例として、タービンエンジンを例示したが、ピストンエンジン、特許文献７の容積可変軸流ネジポンプなどの熱源に使用できる。）
図７（ａ）は、宇宙シャトル８０の正面図、（ｂ）は、上面図を示し、揚力の大きい複葉の三角翼を使用し、一般的な空港から水平に離陸して徐々に高度を上げ、成層圏を航行する航空機、または、地球周回軌道まで重量物を運ぶ宇宙シャトルとして利用することができる。
面積の大きな尾翼８３を有し、大気圏突入時の姿勢を安定化するとともに、減速を行うときに使用する。空気吸入口のエンジンフラップ８４は、大気の密度（高度）に合わせて開口状態を可変することができる。
【００６４】
図７（ｃ）は、エンジン縦断面図８１、（ｄ）は、エンジン横断面図、（ｅ）は、真空容器５５と熱交換室５７の部分拡大図、（ｆ）は、キャピラリー６３ｃとその周辺部の拡大図である。
加熱型ジェットエンジン８１は、荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０の熱を吸入した空気に与え、加熱空気の膨張力により後方に噴射して推力を得る。
高エネルギーの荷電粒子を大気中に放出すると、空気分子を電離するとともに、不要な核反応を生じてしまう恐れがある。また、核融合反応炉に空気が侵入すると、真空度が低下し、核融合反応が継続できない。
真空容器５５の断面形状を中空の星形とし、外側を熱交換室５７とし、壁面に対して小さな視斜角で核融合反応の生成粒子１Ｈ、４Ｈｅを衝突させて、運動エネルギーの一部を熱に変えるとともに、イオン回収路６８に導いている。
真空容器５５を星形の断面形状にして、中心部に生成粒子１Ｈ、４Ｈｅが戻ることがないようにしている。
【００６５】
真空容器５５の内面は、滑らかな表面のセラミックス等耐久性の高い絶縁材料で構成し、荷電粒子の照射を受け、正電荷に帯電し、荷電粒子を全反射する。生成粒子１Ｈ、４Ｈｅは、数回の反射で運動エネルギーを失いながらイオン回収路６８に達し、導電性の壁面から電子を奪って中和して、気体（１Ｈ、４Ｈｅ）として回収する。
真空容器５５の外側（熱交換室５７側）の壁は、高抵抗の電気導電性の材料を使用し、パルス状に飛来する生成粒子１Ｈ、４Ｈｅによる誘導電流を熱に変える。
【００６６】
加熱型ジェットエンジン８１では、燃料粒子２Ｈ、３Ｈｅの収束及び偏向に先端が１μｍまで細く加工されたキャピラリー６３ｃを使用している。
キャピラリー６３ｃは、図７（ｆ）に示すように、核融合反応の生成粒子１Ｈ、４Ｈｅの飛翔の影響を避けるために後退した十字形状の支持部を有し、キャピラリー６３ｃを頑固に支持するとともに、キャピラリー６３ｃの方向を微調整する機構を内蔵している。
熱交換室５７を通過する気流等により振動が発生するため、装置の振動による収束位置の変動が、衝突点のズレを引き起こし、核融合反応が途絶える原因となることが考えられる。衝突までの燃料荷電粒子の飛翔時間を厳密に同一にすることで、振動による影響を軽減することができる。
【００６７】
キャピラリーとは、特許文献６や非特許文献１８、１９などに示されるように、生物分野などで個別の細胞等に選択的に荷電粒子を照射するのに用いられており、ガラスパイプを熱して引き伸ばして切断し、一方の先端を細く加工したテーパー状の部品である。
キャピラリーの太い側から荷電粒子を加えると内面に帯電を生じ、キャピラリーの内壁面に対して微小角度で入射した荷電粒子が全反射するようになり、１０ＭｅＶを越える荷電粒子に対しても、容易に１μｍ以下（最小１００ｎｍ程度）にまで収束することができる旨、当該文献にも示されている。大電力の荷電粒子を扱うため、通過する粒子数がけた違いに多くなることから、キャピラリー６３ｃは耐久性のある石英やセラミック等の絶縁材料を使用する必要があると考えられる。
【００６８】
振動の影響を緩和するため、燃料荷電粒子の収束を１μｍ、６００Ｈｚの繰り返し周波数で粒子加速器６２を駆動し、荷電粒子ビームが周期１．６７ｍＳ、パルス幅が５０ｎＳであった場合、燃料粒子の速度が３，９１４ｋｍ／Ｓであるから、間隔６，５２４ｍ、長さ１９．６ｃｍのバンチを形成する。相対速度が７，８２８ｋｍ／Ｓで衝突するから、ほとんどの粒子が中央の約１０ｃｍの範囲内で衝突する。
【００６９】
バンチの後部には、未反応粒子が残る。対向するキャピラリーに達し、その内部を逆走し、内部に滞留する他方の燃料粒子と衝突する可能性がある。衝突のエネルギーが少なく、反応率は低いと見積もられるが、キャピラリー６３ｃ内部で核融合反応が発生すると、内側に大きな負荷がかかり、破損の原因となる。
【００７０】
図７（ｆ）の詳細図のとおり、燃料粒子のバンチを送出後、キャピラリー６３ｃの先端の脇に設けた電界型の偏向器６４ｅ（図７（ｆ）には、線状の断面形状になっているが、面状の電極４枚で構成される。）に電圧を加え、未反応燃料粒子６８ｎをキックして、イオン回収路６８を通して回収している。この偏向電界は、図６の進行波型粒子加速器６２ｔを使用するときは、遅延回路６２ｄの余剰出力で駆動することができる。
また、キャピラリーの支持部には、図には示していないが、イオン回収路６８の他に冷媒用の循環路を設けている。
【００７１】
さらに、キャピラリー６３ｃの周囲に加速電極を設け、進行波型粒子加速器６２ｔの延長として構成することもできる。（キャピラリー６３ｃまでを進行波型加速器６２ｔとして、装置の小型化に寄与することができる。）
電界型の偏向器６４に一定の電圧をかけて、燃料ビームに含まれる異原子核の軌道を僅か（燃料粒子ビームの幅程度）であるが、目的外の核反応を抑制するように構成することができる。    
さらに、粒子加速器６２、６２ｔによる加速度合いが異なり、バンチの先頭または後方に異原子核が集中する場合は、キャピラリー６３ｃの先端部に設けた電界型の偏向器６４にパルス状の電圧をかけて、キックして除去することができる。
【００７２】
真空容器５５内の回生減速器６５により、荷電粒子（生成粒子）の運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、電動機を駆動してタービン８６を回転させる。
エンジンフラップ８４を広げて外気を取り込み、タービン８６で圧縮し、熱交換室５７に送り込み、断面が星形の真空容器５５の壁面を通して加熱、膨張し、高速の気流として後方に噴射することで推力を得る。
【００７３】
大気が利用できない高度に達した後は、エンジンフラップ８４を閉じ、機内の空気タンクに蓄積した空気を換気口５６から熱交換室５７に供給し、大気圏外においても推力を維持することができる。
カーボン製等の軽量かつ高耐圧の空気タンクを翼８２の中に内蔵し、空気タンクの容量を確保するとともに、翼８２の強度を確保している。
【００７４】
帰還時は、エンジンの噴射により速度を十分に落とし、尾翼８３を立てた姿勢で突入し減速を行い、滑空して着陸地点に向かう。滑空中にエンジンフラップ８４を開き、換気口５６から取り入れた空気を（図には示していないが）タービン８６の回転で駆動する圧縮ポンプでさらに圧縮し、翼８２内の空気タンクに蓄積することで、位置エネルギーの一部を高圧空気として回収する。
加熱型ジェットエンジン８１は、翼内に蓄積した圧縮空気、または、電力でタービンを起動する。
【００７５】
図８は、噴射質量を変化した場合の、噴射速度（ｖ＝√（２・Ｅ／（ｍ・ｍｍ））と推力（Ｔ＝（ｍ・ｍｍ）・ｖ）の関係を示しており、図８の左軸上の質量倍率が１のときは、２００ＭＷの核融合反応生成物の荷電粒子のうち水素原子核１Ｈ（ｐ）を真空中に直接噴射することにより６．３Ｎの推力が得られることを示している。
（水素原子核１Ｈ（ｐ）の質量：１．６７×１０−２７、エネルギー：１４ＭｅＶ（５．１８×１０７ｍ／Ｓ））
【００７６】
直径５ｍのタービン２基の有効面積を約４０ｍ２、海面付近を２５０ｋｍ／ｈで飛行する場合、密度１．２５ｋｇ／ｍ３の大気を１秒間に２，７００ｍ３（３，３００ｋｇ）取り入れて、加熱して噴射する。２００ＭＷの核融合生成物である水素原子核１Ｈ（ｐ）の質量ｍは、０．１２ｍｇ／Ｓであるから、質量倍率ｍｍは、およそ２．５×１０１０となる。
ヘリウム原子核４Ｈｅ（α）についても６．３Ｎの推力があるが、質量倍率が４分の１と少ないので、計算には含めていない。（１．２５倍することで補正できる。）
【００７７】
図８より、推力Ｔ：１．００ＭＮ、噴射速度ｖ：３３０ｍ／Ｓ（約１，２００ｋｍ／ｈ）と大型航空機として十分な推力が得られる計算となる。（質量増加のプロセス（熱交換、タービンの効率等）を考慮していない。また、質量倍率が下がると、熱交換器の過熱を招くので、核融合のレートを下げて、出力を下げる必要がある。）
高度１０，０００ｍまでは、大気密度が下がった分、速度を上げることで、吸入空気量が増加するので質量倍率ｍｍを維持できると考えられる。さらに大気密度が低下する成層圏では、翼内の空気タンクに蓄積した圧縮空気を推進剤として使用することで推力を持続し、高度１６０ｋｍにおいて、秒速８ｋｍまで加速する。
【００７８】
図９は、荷電粒子・推進剤混合型エンジン９１の説明図である。
図９（ａ）は、宇宙機外観図で、貨物モジュール９５、エンジンモジュール９１、乗員モジュール９６、スカイクレーン９７からなる宇宙機９０である。国際宇宙ステーションで使用されるモジュール規格「共同結合機構ＣＢＭ」を使用して各モジュールを接続しており、着陸脚９４ｇの根元に取り付けたロボットハンド９４ｈを使って、自由に組み替えることができる。
【００７９】
図９（ｂ）は、エンジンの縦断面図、（ｃ）は、エンジンの横断面図で、６頂の十字星形多面体の容器が二重になっている。内側は、ビーム衝突型核融合炉６０の容器で、外側は、推進剤への熱交換室５７である。
図９（ｂ）のビーム衝突型核融合炉６０の中心部から、上下方向に飛翔した荷電粒子１Ｈ、４Ｈｅは、回生減速器６５により減速し及び電気エネルギーに変換している。（荷電粒子１Ｈ、４Ｈｅは、中和して回収するか、地球の大気を汚染する心配が無いので推進剤に混入してもよい。）
また、図には示していないが、キャピラリー６３ｃの先端に設けた電界型の偏向器６４ｅで、燃料粒子２Ｈ、３Ｈｅを送出後に未反応燃料６８ｎをキックして除去している。
【００８０】
定量供給ポンプ８９によりビーム衝突型核融合炉６０の上側と下側から供給された推進剤（空気５０ａ）は、熱交換室５７を巡って加熱し、二重になったノズルの外側から混合反応室５８の内部に噴射している。
推進剤の循環が不安定になるのを防ぐために、図には示されないが、ビーム衝突型核融合炉６０の十字星形の各腕を螺旋状に巡る経路を熱交換室５７の内部に形成している。
【００８１】
図９（ｂ）のビーム衝突型核融合炉６０の中心部から水平方向に飛翔した荷電粒子（生成粒子）１Ｈ、４Ｈｅは、二重になったノズルの内側から混合反応室５８内に噴射され、加熱された推進剤をさらに強く混合加熱を行い、ノズル９３から宇宙空間に噴射している。
図には示していないが、混合反応室５８及びノズル９３に、磁気容器を構成することもできる。
【００８２】
荷電粒子（生成粒子）１Ｈ、４Ｈｅは、混合反応室５８の内部で、壁面が導電性である場合は、電気的に中和されるが、必要に応じて中和器６９を作動させる。
核融合炉６０を起動し、炉壁の温度が十分に上がった後に推進剤を加える。推進剤は、二重のノズルの外側を強い方向性を持って通過するので、ベンチュリ効果により核融合炉６０の内部に流入しない形状としている。
【００８３】
「３Ｈｅ−３Ｈｅ」反応で発生するエネルギーは、「Ｄ−３Ｈｅ」反応より少なく、クーロン障壁が２倍以上と扱いにくいが、月や小惑星等でヘリウム３（３Ｈｅ）が容易に入手可能とされるので、単一の燃料としてヘリウム３（３Ｈｅ）のみを利用できるエンジンに高い利用価値がある。非特許文献１３によると、「３Ｈｅ−３Ｈｅ」核融合反応の反応断面積は、１ＭｅＶにおいて１０−２ｂａｒｎｓと「Ｄ−３Ｈｅ」の反応断面積より随分小さい。（１０ＭｅＶにおいて０．１ｂａｒｎｓ、３０ＭｅＶにおいて１．０ｂａｒｎｓに達するが、投入エネルギーが大きくなる。）
【００８４】
燃料粒子のヘリウム３原子核３Ｈｅビームを１μｍに収束させ、粒子加速器６２、６２ｔの駆動周波数を１０Ｈｚとし、荷電粒子バンチの周期を１００ｍｓ（間隔３９１ｋｍ）、パルス幅を２０ｎＳ（長さ７．８ｃｍ）とし、核融合反応を発生させるためには、燃料粒子３Ｈｅの密度を十分に高めることが必要である。
【００８５】
水素やヘリウムと比較して質量の大きな空気、水、その他の物質を推進剤として、混合反応室５８で生成粒子１Ｈ、４Ｈｅと直接混合して加熱することで、推進剤を効率的に膨張させて噴射し、推力を得ることができる。
紛体を推進剤として使用するときは、図には示していないが非特許文献７に示すようにミクロン単位に粉砕し、気体の推進剤とあらかじめ均質に混合した上で、混合反応室５８に投入することで、推進剤の質量を増加することができる。均質に混合しなければ、振動発生の原因となる。
【００８６】
有人宇宙船では、生活廃棄物を生じるが、乾燥して紛体にし、核融合炉の荷電粒子（生成粒子）と混合・加熱することで、原子レベルまで分解することができる。（有害な化学物質の分解等にも利用できる。）
廃棄物の処理が可能であるとともに、推進剤としても使用することができるので、推進剤の輸送質量を削減できるとともに、宇宙空間への廃棄物の投棄によるデブリを増やさずに済む。
【００８７】
宇宙機９０は、太陽系内の惑星・衛星間を航行するのに必要最低限の構成例である。
宇宙機の長軸を回転（回転半径１０ｍであれば１０ｒｐｍ程度）させて、遠心力による１Ｇ程度の重力を得ることができる。エンジンモジュール９１の下層に乗員モジュール９６を結合することで、着陸時及び軌道変更のための加速時における重力の方向と一致させることができる。
【００８８】
粒子遮蔽板９４ｓは、乗員モジュール９６から離れた太陽側に配置し、太陽電池の電力で磁力を発生し、太陽からの放射線の遮蔽を行う。
粒子遮蔽板９４ｓは、互いに逆方向に並べた２本のソレノイドコイルによって作られる閉じた磁力線により、太陽から飛来する荷電粒子（主に水素原子核１Ｈとヘリウム原子核４Ｈｅ）を外側に向けて穏やかに偏向することで、放射光や二次粒子の発生を抑えて、荷電粒子を遮蔽する。
自然冷却による超電導コイルを使用できる場合は、十分な強度の磁力を発生することができる。
着陸時には、可動アームに粒子遮蔽板９４ｓを装着し、太陽を自動追尾して荷電粒子を遮蔽する。
【００８９】
おおむね火星の重力（０.３５Ｇ）に対応する推力があれば、太陽系内の大気の少ない惑星や衛星に離着陸することができる。総質量３０トンの宇宙機に対して、２００ｋＮ程度の推力が必要である。
荷電粒子ビーム衝突型核融合エンジンの大きな比推力を利用することが出来るので、惑星間飛行に要する日数を大幅に短縮することが期待できる。
火星は、大気が薄いため、翼で滑空することはできないが、大気（主にＣＯ２）を取り込み、タンクに蓄積し、離陸のための推進剤として利用することができる。
【００９０】
荷電粒子・推進剤混合型エンジン９１とは独立した２００ｋＷ程度のビーム衝突型核融合炉６０、８８を備えることで、必要な電力を得る他、廃棄物の乾燥・粉砕処理や、サバティエ反応を利用した酸素や水の循環利用等が可能となり、乗員の生活を高いレベルに保つことができる。小さい電気出力の核融合炉を構築する場合、燃料粒子の収束を０．２５μｍ、繰り返し周期を１００ｍＳとするなどして、燃料粒子の密度を高めるとともに、反応断面積の大きい「Ｄ−３Ｈｅ」反応を採用する必要がある。
【００９１】
宇宙機９０は、有人機、貨物機共に遠隔操作が可能であり、自動着陸、自動航行の機能が必要である。５０年程度の耐久性が求められ、２機以上の同時航行を行うことで、事故発生時に最も迅速な対応を行うことができる。
軌道上で貨物モジュール９５をスカイクレーン９７に取り付けて降下し、着地と同時に切り離すことで、貨物モジュールの迅速な降下運搬を行うことができる。
スカイクレーンのワイヤーを、姿勢制御モジュールにかけて牽引することで、人口重力によるモジュールの負荷を軽減し、補強することができる。
【００９２】
図１０は、太陽系外を航行する外宇宙探査機の説明図である。
（ａ）は正面図（地球に向けている面）、（ｂ）は、上面図である。（ｃ）は、エンジンの断面図である。
オフセットパラボラの形状の電波反射板９９ｒの焦点と、電波反射板９９ｒと燃料タンク５２、５３とを含めた重心が一致しており、燃料の消費に伴う重心の位置変化が発生しないように構成されている。
外宇宙探査機９０のエンジンは、荷電粒子加速器６２、６２ｔを内蔵する軸を中心に、重心を共有し回転可能に取り付けられ、噴射方向を変えることができる。
外宇宙探査機９０は、太陽の周りを螺旋状に回りながら航行するので、地球に向ける角度（電波を送る方向）とエンジンの噴射方向とが異なっている。
【００９３】
ビーム衝突型核融合炉６０の一部を開放し、荷電粒子を直接宇宙空間に放出することで推力を得る。あらゆる方向に飛翔する高エネルギーの荷電粒子１Ｈ、４Ｈｅを一方向に偏向するため、生成粒子反射板９８ｒ、生成粒子偏向器９８ｄを使用している他、回生減速器６５と再加速器６７ｒを組み合わせて、減速した荷電粒子１Ｈ、４Ｈｅを目的の方向に再度加速して噴射している。宇宙空間に存在する粒子を、後方に向けて加速する方法も考えられる。  
燃料は、「３Ｈｅ−３Ｈｅ」反応では、発生するエネルギーが小さいため、「Ｄ−３Ｈｅ」を使用する。「Ｄ−３Ｈｅ」の核融合反応では、水素原子核１Ｈ（ｐ）のエネルギーが１４ＭｅＶ（光速の約１７％）であるので、外宇宙探査機９０自体を光速の１０％程度まで加速できる可能性がある。
【００９４】
表５は、４光年の距離の無線回線設計である。
１００メガワットの電波送信機を駆動することを考える。
送信周波数は、１ＧＨｚから５０ＧＨｚが適当と考えられる。
距離３．７７６×１０１６mに対する自由空間損失が３６４ｄBと圧倒的に大きいが、Ｐｒ＞Ｐｒｎであるから、巨大なアンテナとヘリウム冷却低雑音受信機を使用して、６ｋＨｚの帯域の信号を受信することができる計算になる。
表５  回線設計
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【００９５】
太陽系外を航行する宇宙探査機であるので、莫大な量の燃料を消費することになるが、大きな比推力を生かして、不断の加速を行うことによって、光速の１０％前後まで加速する価値は大きい。
最も近い恒星であるアルファケンタウリまでの距離は、４．２光年であるから、螺旋状に航行すること等を考慮すると、光速の１０％の速度を得たとしても、電波で探査結果が地球に届くまでに、打ち上げから５０年以上を要する計算になる。
２００ＭＷのビーム衝突型核融合炉６０が５０年間連続稼働するのに必要な重水素（２Ｈ、Ｄ）とヘリウム３（３Ｈｅ）燃料の合計重量は、９６０ｋｇを超えることになる。
遠隔操縦が不可能であるから、自律的な探査能力を与える必要がある。
【００９６】
地球上に十分な量の燃料となるヘリウム３（３Ｈｅ）が存在していないことから、放射性物質を含まない核融合の実現は、極めて困難なものになっている。
「Ｄ−Ｄ」反応や「Ｄ−Ｔ」反応は、放射性物質を含む核融合であることから、実施例として例示しなかったが、本発明の荷電粒子ビーム衝突型核融合装置は、これらの核融合反応についても取り扱うことができる。
核融合における問題点を再度整理する。
１点目は、中性子の生成であり、炉壁の脆化・放射化、人体への影響などが考えられるが、核分裂炉の技術で、対処可能であり、炉が停止すれば中性子の影響は無くなる。
２点目は、三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）の生成であり、漏えいによる周辺への影響が深刻な問題であることは、最初に述べたとおりである。
【００９７】
この問題を解決する提案を実施例として、ここに追加する。
解決方法は、三重素３Ｈ（トリチウムＴ）を蓄積しないことである。２つの炉を用意し、「Ｄ−Ｄ」反応で生成した三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）を直ちに「Ｄ−Ｔ」反応を行って消費することで、放射性物質の存在量を微量に限定することができる。
表６は、非特許参考文献６の図２．２を参考に、各反応毎の最適な衝突エネルギーと反応断面積を他の反応の反応断面積を一覧にしたものである。
表６  核融合反応の反応断面積
2016109658.tif 000008
表７に、水素原子核１Ｈ（陽子、プロトンｐ）を含む核反応の一部を一覧にした。核融合生成物を精製せずに核融合反応を継続した場合、陽電子ｅ＋、ガンマー線γ、ニュートリノνｅなどが発生するが、荷電粒子ビーム衝突型核融合炉で有効なエネルギーとして取り出すことが困難である。
表７  水素原子核１Ｈ（陽子、プロトンｐ）を含む核反応
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【００９８】
図１１は、１つの炉に異なる角度で３対の「荷電粒子ビーム発生器」を構成した実施例である。
図の左側は、全て重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）を燃料とし、右側は、上から順に重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）、三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）、ヘリウム３原子核３Ｈｅを燃料とする。
１つ目の「Ｄ−Ｄ」と「Ｄ」の記号を付した「荷電粒子ビーム発生器」の対で「Ｄ−Ｄ」反応を行うが、１．４ＭｅＶを必要とし、０．２ｂａｒｎｓと反応断面積が小さい。最初の核融合反応であるから不純物が混入も無いが、二種類の核融合反応が同時に発生し、４種類の粒子（ｐ、ｎ、Ｔ、３Ｈｅ）が飛翔する。（中性子ｎは、電荷を持たず透過力が強く、熱交換室５７の中性子減速材（水）１０により減速、吸収され、イオン回収路６８では回収されない。）
２つ目の「Ｄ−Ｔ」と「Ｔ」の記号を付した「荷電粒子ビーム発生器」の対で「Ｄ−Ｔ」反応を行う。
３つ目の「Ｄ−３Ｈｅ」と「３Ｈｅ」の記号を付した「荷電粒子ビーム発生器」の対で「Ｄ−３Ｈｅ」反応を行う。
中性子ｎは、電気エネルギーとして回収できないため、熱として回収するエネルギーが増加する。真空容器の外側に減速材（水）１０を満たした熱交換室５７を設け、中性子の遮蔽と冷却を行う。
【００９９】
イオン回収路６８及び未反応粒子６８ｎ回収路から、荷電粒子１Ｈ（ｐ）、２Ｈ（Ｄ）、３Ｈ（Ｔ）、３Ｈｅ及び４Ｈｅ（Ｄ−Ｄ反応以外の反応で生成する。）を回収する。イオン発生器６１で再イオン化し、粒子加速器６２、６２ｔにより１０ｋｅＶ程度まで加速して、電荷質量比の違いを利用して、電荷質量分離器６４ｘ（磁気スペクトロメータ）により１Ｈ（ｐ）、３Ｈ（Ｔ）、２Ｈ（Ｄ）、４Ｈｅ（α）、３Ｈｅの順に分離する。三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）を６０ｋｅＶまで加速し、４０ｋｅＶに加速した重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）と核融合反応を行い、三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）を直ちに消費する。
【０１００】
「Ｄ―Ｔ」反応の反応断面積が、５ｂａｒｎｓであるのに対して、「Ｄ−Ｄ」及び「Ｄ−３Ｈｅ」反応の反応断面積は、０．０３ｂａｒｎｓと小さく、ほぼ「Ｄ―Ｔ」反応のみを発生する。三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）は、常時ヘリウム３原子核３Ｈｅに崩壊し続けているので、炉内の偏向器６４による電荷質量比による分離も効果がある。
分離する距離は、ビームの直径が１μｍ前後であるから、ビームの広がり方にもよるが、１０μｍ程度で十分な反応抑制の効果が期待でき、反応断面積の相違と合わせれば、目的外の核反応を大きく抑制することができる。
【０１０１】
偏向器６４で分離された水素原子核１Ｈ（ｐ）、重水素原子核２Ｈ（Ｄ）、ヘリウム３原子核３Ｈｅ及びヘリウム原子核４Ｈｅ（α）は、それぞれ中和してタンクに蓄積する。ヘリウム原子核４Ｈｅ（アルファ粒子α）と重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）は、電荷質量比がほぼ同じであるから、分離することが困難である。（化学反応により分離できる。）
「Ｄ−３Ｈｅ」と「３Ｈｅ」の記号を付した「荷電粒子ビーム発生器」の対で「Ｄ−３Ｈｅ」反応を行うが、４００ｋｅＶ（２Ｈ：１６０ｋｅＶ、３Ｈ：２４０ｋｅＶ）で衝突することで、「Ｄ−３Ｈｅ」反応は、１ｂａｒｎｓ、「Ｄ―Ｔ」反応は、０．８ｂａｒｎｓ、「Ｄ−Ｄ」反応は、０．１３ｂａｒｎｓであるので、分離できずに残った不純物の影響が若干減少する。
なお、分離せずに回収した粒子を燃料として使用する場合は、副反応が複雑になること、反応に寄与しない粒子を加速するために余分なエネルギーを要すること、様々なエネルギーの粒子が同時に飛翔し回生減速器６５の設計が困難になる可能性がある。
【０１０２】
図１２（ａ）は、「Ｄ−Ｄ」反応と「Ｄ−Ｔ」反応のみを形状的に利用する構成の核融合炉の実施例である。
キャピラリー６３ｃは、経路を緩やかに曲げることができることから、右側のＤとＴのキャピラリー６３ｃを近接して配置している。対向するＤの「荷電粒子ビーム発生器」は、１組のみとしている。
キャピラリー６３ｃ先端の偏向器６４または支持部の駆動機構により、荷電粒子ビームの方向を瞬時に切り替え、それぞれに対応する速度（「Ｄ−Ｄ」反応では、７００ｋｅＶ、「Ｄ−Ｔ」反応では、４０〜６０ｋｅＶ。）で荷電粒子２Ｈ（Ｄ）を打ち出す。
３２個（切頂二十面体の形状に組み立てる場合）の回生減速器６５に付属するイオン回収路６８及び２カ所の未反応燃料回収路から、核反応で生成した荷電粒子及び未反応燃料６８ｎ（１Ｈ（ｐ）、２Ｈ（Ｄ）、３Ｈ（Ｔ）、３Ｈｅ及び４Ｈｅ（α））を中和せずに、イオン回収チューブ６８ｔを経由して回収し、再度加速して電荷質量比の違いから粒子を分別し、三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）を１秒以内に消費するシステムを構成している。
図１２（ｃ）に、イオン回収チューブ６８ｔの構成を示す。荷電粒子を誘導する電極（進行波型粒子加速器６２ｔに設けた電極と同じ原理で、荷電粒子を進行方向に誘導する。加速はしない。）を設け、３つの相（φ０、φ１及びφ２）からなるプラスまたはマイナスの高電圧を一定の周期で順次加えることで、荷電粒子を移送する。
イオン回収チューブ６８ｔは、３２カ所のイオン回収路６８に一筆書き状に接続して生成粒子を回収し、パルス状の生成粒子を平均化して電荷質量分離器６４ｘに送っている。
【０１０３】
「Ｄ−Ｄ」反応と「Ｄ−Ｔ」反応では、中性子ｎが多くのエネルギーを持って飛翔するので、直接電気として取り出せるエネルギーは最大で３２．４％までであり、熱出力が６７．６％以上を占める。同一の出力の場合、真空容器５５の直径を３０％程度小さくすることができる。荷電粒子ビーム型核融合炉６０を取り囲む熱交換室５７内に減速材（水）１０を満たし、中性子ｎの減速及び熱変換を行う。
図１２（ｂ）に、水１０による中性子ｎの遮蔽と熱変換、並びに、熱駆動ポンプ６６（特許文献７）及び発電機８８による熱−電気変換器）を、多面体（正五角形１２面、正六角形２０面）を構成する３２個のユニットで構成した例を示す。各ユニットは、保守のため任意のユニットを取り外すことができる形状に作られているとともに、異なる角度のかみ合わせとなっており、直線的に進んだ中性子が間隙から漏れない構造としている。
図１２（ｄ）に「Ｄ−Ｄ」反応、（ｅ）に「Ｄ−Ｔ」反応による粒子飛翔図を示す。（未反応粒子６８ｎの軌跡は、省略した。）
荷電粒子１Ｈ、２Ｈ、３Ｈ、３Ｈｅ及び４Ｈｅは、回生減速器６５で、中性子ｎは、回生減速器６５を透過し、中性子減速材（水）１０で減速している。安全のため、及び、中性子減速材（水）１０、中性子反射材（鉛など）１９を透過した中性子ｎを遮蔽するため、さらに外側にコンクリート壁が必要である。
【０１０４】
運転中、三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）は、真空容器５５、イオン回収路６８、６８ｔ、並びに、Ｔの記号を付した粒子加速器６２、６２ｔ、電荷質量分離器６４ｘ及びキャピラリー６３ｃの内部に分散して存在している。１時間に１．０ｇの燃料を消費する炉の場合、三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）の生成量は、１秒間に約０．１ｍｇと見積もられる。（トリチウムＴの循環に１秒を要するとした場合。１００ｍＳで一巡する場合は、さらに少なく０．０１ｍｇになる。）
緊急停止時を含めて、炉内の三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）を可能な限り消費してから停止する仕組みとすることによって、停止時の残存量は、０．１μｇ（３．６×１０７Ｂｑ）前後まで削減することができると期待される。（「Ｄ−Ｔ」反応の繰り返し周期を１，０００Ｈｚとした場合）
さらに、重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）の粒子を多くすることにより、三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）の反応率を９９．９９％以上に高めることが出来るから、残存量は、０．０１ｎｇ（３．６×１０３Ｂｑ）以下に削減することができる。この処理を繰り返すことで、三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）を完全に消滅することができる。（重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）の未反応燃料粒子が多く残る。）
地震検知等により三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）の消滅運転を行った後は、「Ｄ−３Ｈｅ」反応に切り替えて運転を継続することで、電力の供給を維持することが出来る。
【０１０５】
三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）の残存量を限定することができたが、やはり大変危険な物質であることに変わりはない。将来、「荷電粒子ビーム衝突型核融合炉」が、小電力化・小型化することで一般利用が拡大する可能性があり、普及に比例して三重水素（３Ｈ、トリチウムＴ）の漏えい事故も増加すると考えられる。また、移動体の事故率は圧倒的に高いから、移動体や一般利用向けには、「Ｄ−３Ｈｅ」反応炉が望ましい。
「Ｄ−Ｄ」反応炉は、三重水素（３Ｈ、トリチウムＴ）を生成すること、中性子ｎを遮蔽するため及び熱を処理するため大型化することもあり、少数の組織的な管理体制下での利用に限定して、発電するとともにヘリウム３（３Ｈｅ）を生産する使い方が、１つの解決方法である。
「Ｄ−３Ｈｅ」反応炉が普及することで、月や小惑星などからヘリウム３（３Ｈｅ）を調達する原動力にもなると考えられる。
ヘリウム３（３Ｈｅ）が月や小惑星などから調達されるようになった後は、「Ｄ−Ｄ」反応炉を廃炉にすることが望ましい。
三重水素（３Ｈ、トリチウムＴ）を含む核融合炉は、核分裂炉と同様の管理体制が必要と考えられる。
また、あらゆる荷電粒子ビーム衝突型核融合炉が兵器や武器に使用されないことを望むものである。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
放射能を出さない純粋な核融合反応による核融合発電装置、宇宙機、航空機、船舶、車両等の推進装置を提供することができる。微量の放射性物質を伴うが、安価な重水素燃料による核融合発電装置を提供できる。高エネルギーの荷電粒子による廃棄物処理などにも活用できる。
【符号の説明】
【０１０７】
１Ｈ  水素原子核（陽子、プロトン粒子ｐ）  １０  減速材（水）  １９  反射材（鉛）
２Ｈ  重水素原子核（デューテリウムＤ）    ３２  多面体（切頂二十面体）
３Ｈ  三重水素原子核（トリチウムＴ）      ３Ｈｅ  ヘリウム３原子核    
４Ｈｅ  ヘリウム原子核（アルファ粒子α）
５０  推進剤  ５０ａ  空気  ５０ｂ  粉体  ５１  タンク  ５１ａ  空気タンク
５１  水素ガス  ５２  重水素ガス  ５３  ヘリウム３ガス  ５４  ヘリウムガス
５５  真空容器    ５６  換気口    ５７  熱交換室    ５８  混合反応室  
６０  荷電粒子ビーム衝突型核融合炉  ６１  荷電粒子発生器  ６１ａ  加速グリッド
６２  粒子加速器  ６２ａ  加速グリッド  ６２ｄ  遅延回路  ６２ｓ  スイッチ  
６２ｔ  進行波型粒子加速器  ６３  電子レンズ  ６３ｃ  キャピラリー  
６４  偏向器  ６４ｅ  電界型偏向器  ６４ｍ  磁気偏向器  ６４ｘ  電荷質量分離器
６５  回生減速器  ６５ｂ  減速グリッド  ６５ｄ  遅延回路  ６５ｆ  初段のグリッド
６６  熱駆動ポンプ  ６７  グリッド  ６７ａ  加速グリッド  ６７ｒ  再加速器
６８  イオン回収路  ６８ｎ  未反応燃料  ６８ｔ  イオン回収チューブ
６９  中和器（電子発生器）
【０１０８】
８０  航空機・宇宙シャトル  ８１  加熱型原子力ジェットエンジン  ８２  翼
８３  尾翼    ８４  エンジンフラップ    ８５  貨物室    ８６  タービン  
８７  電動機    ８８  発電機    ８９  定量供給ポンプ    
９０  宇宙機  ９１  荷電粒子・推進剤混合型エンジン（エンジンモジュール）
９２  姿勢制御モジュール    ９３  噴射ノズル
９４ｇ  着陸脚    ９４ｈ  ロボットアーム    ９４ｓ  粒子遮蔽板
９５  貨物モジュール  ９６  乗員モジュール  ９７  スカイクレーン・車両（内蔵）
９８ｄ  生成粒子偏向器    ９８ｒ  生成粒子反射板
９９ｒ  電波反射板    ９９ａ  アンテナ
【図１】
2016109658.tif 000010
【図２】
2016109658.tif 000011
【図３】
2016109658.tif 000012
【図４】
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【図５】
2016109658.tif 000014
【図６】
2016109658.tif 000015
【図７】
2016109658.tif 000016
【図８】
2016109658.tif 000017
【図９】
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【図１０】
2016109658.tif 000019
【図１１】
2016109658.tif 000020
【図１２】
2016109658.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成27年4月29日(2015.4.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９９】
イオン回収路６８及び未反応粒子６８ｎ回収路から、荷電粒子１Ｈ（ｐ）、２Ｈ（Ｄ）、３Ｈ（Ｔ）、３Ｈｅ及び４Ｈｅ（Ｄ−Ｄ反応以外の反応で生成する。）を回収する。回収した荷電粒子を粒子加速器６２、６２ｔにより１０ｋｅＶ程度まで加速して、電荷質量比の違いを利用して、電荷質量分離器６４ｘ（磁気スペクトロメータ）により１Ｈ（ｐ）、３Ｈ（Ｔ）、２Ｈ（Ｄ）、４Ｈｅ（α）、３Ｈｅの順に分離する。三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）を６０ｋｅＶまで加速し、４０ｋｅＶに加速した重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）と核融合反応を行い、三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）を直ちに消費する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０２】
図１２（ａ）は、「Ｄ−Ｄ」反応と「Ｄ−Ｔ」反応のみを経常的に利用する構成の核融合炉の実施例である。
キャピラリー６３ｃは、経路を緩やかに曲げることができることから、右側のＤとＴのキャピラリー６３ｃを近接して配置している。対向するＤの「荷電粒子ビーム発生器」は、１組のみとしている。
キャピラリー６３ｃ先端の偏向器６４または支持部の駆動機構により、荷電粒子ビームの方向を瞬時に切り替え、それぞれに対応する速度（「Ｄ−Ｄ」反応では、７００ｋｅＶ、「Ｄ−Ｔ」反応では、４０〜６０ｋｅＶ。）で荷電粒子２Ｈ（Ｄ）を打ち出す。
３２個（切頂二十面体の形状に組み立てる場合）の回生減速器６５に付属するイオン回収路６８及び２カ所の未反応燃料回収路から、核反応で生成した荷電粒子及び未反応燃料６８ｎ（１Ｈ（ｐ）、２Ｈ（Ｄ）、３Ｈ（Ｔ）、３Ｈｅ及び４Ｈｅ（α））を中和せずに、イオン回収チューブ６８ｔを経由して回収し、再度加速して電荷質量比の違いから粒子を分別し、三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）を１秒以内に消費するシステムを構成している。
図１２（ｃ）に、イオン回収チューブ６８ｔの構成を示す。図６の進行波型粒子加速器６２ｔを太さが一定の筒状にしたもので、外側に荷電粒子を誘導する電極を設け、３つの相（φ０、φ１及びφ２）からなるプラスまたはマイナスの高電圧を一定の周期で順次加えることで、荷電粒子を移送する。
イオン回収チューブ６８ｔは、３２カ所のイオン回収路６８に一筆書き状に接続して生成粒子を回収し、パルス状の生成粒子を平均化して電荷質量分離器６４ｘに送っている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向して打ち出す２本の核融合燃料である荷電粒子ビームが、
重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）とヘリウム３原子核３Ｈｅであるもの、
双方共にヘリウム３原子核３Ｈｅであるもの、
重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）と三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）であるもの、及び、
双方共に重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）であるもの、であって、
これらの核融合燃料である荷電粒子を、クーロン力により加速して荷電粒子ビームにする粒子加速器６２、荷電粒子ビームを収束する電子レンズ６３、及び荷電粒子ビームの飛翔方向を変える偏向器６４からなる「荷電粒子ビーム発生器」を２組備えるとともに、
真空容器５５を備え、その中心部で、荷電粒子を核融合燃料の組み合わせによって決まるクーロン障壁を超える速度で対向して衝突させて核融合反応を発生させ、
核融合反応により生成した荷電粒子の運動エネルギーを電磁誘導作用により減速するとともに、電気エネルギーとして取り出す、回生減速器６５を備え、核融合反応点を取り囲むように配置したことを特徴とする、２組の荷電粒子ビーム発生器の駆動に要する電力よりも多くの電力を得ることができる荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項２】
セラミックなどの絶縁材料で作成した一方が細くなったテーパー形状の容器に加速電極と加速グリッド６２ａを配置し、先に負、次に正の両極性パルスを加え、立ち上がり波形を先鋭化するとともに先行する立下りより早く、かつ、正確に伝搬する特性を有する遅延回路６２ｄを通して、加速電極とグリッド６２ａに順次両極性パルスを加えることによって、クーロン力により荷電粒子を進行方向に加速するとともに圧縮し、容器の形状に従い半径方向にも圧縮して、２本の荷電粒子ビームのバンチを正確に同期して打ち出すことができる進行波型粒子加速器６２ｔを備えることを特徴とする、請求項１の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項３】
荷電粒子ビームを入射することにより、セラミックなどの絶縁材料で作成した一方が細くなったテーパー形状の容器の内面を荷電粒子が全反射しながら通過し、細くなった先端の開口部に荷電粒子を収束することができるキャピラリー６３ｃ（加速電極及び偏向電極を有するものを含む。）を備えることを特徴とする、請求項１から２までの荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項４】
核融合燃料である２本の荷電粒子ビームを一定量偏向すること及び
荷電粒子パルスのタイミングに合わせて時間的に偏向量を変化することにより、
荷電粒子ビームを互いに正確に衝突するように飛翔方向を調整するとともに、
対向する荷電粒子ビームの未反応燃料粒子を異なる方向に分離し、
燃料である荷電粒子ビームに含まれる異原子核を電荷質量比の違いによって偏向角度が異なることを利用して対向する荷電粒子ビームと衝突しないようにする、
磁界または電界を使用した偏向器を備えることを特徴とする請求項１から３までの荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項５】
核融合反応により生成したパルス状に飛翔する荷電粒子により減速グリッド６５ｂに発生する誘導電荷を、荷電粒子の飛行速度より遅延して、次のグリッド６５ｂに伝達する遅延回路６５ｄ（核融合反応点に近い初段の減速グリッドにおいて、分布定数型のグリッド６５ｆとしたものを含む。）を備えることを特徴とする請求項１から４までの荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項６】
荷電粒子が最初の減速グリッド６５ｂに達する直前に正電荷を受け取り、次の減速グリッド６５ｂに正パルスを順次伝達し効果的に荷電粒子の減速を行う、核融合反応点に近い絶縁されていない先端部を有する遅延回路６５ｄを備えることを特徴とする請求項１から５までの荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項７】
対向して打ち出す２本の核融合燃料である荷電粒子ビームが、
双方共に重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）であるもの、及び、
重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）と三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）であるものであって、
核融合生成粒子のうち、回生減速器６５や真空容器５５を透過した中性子を減速するとともに熱に変える中性子減速材１０で満たした熱交換室５７を備え、真空容器５５を取り囲むように配置したことを特徴とする請求項１から６までの荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項８】
セラミックなどの絶縁材料で作成した筒状の容器の外側に電極を設け、位相の異なるプラスまたはマイナスの高電圧を一定の周期で加えることで、
核融合生成粒子である荷電粒子、及び、
対向して打ち出した２本の荷電粒子ビームのうち衝突しなかった未反応粒子を、
回収して移送するイオン回収チューブ６８ｔを備えることを特徴とする請求項１から７までの荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項９】
対向して打ち出す２本の核融合燃料である荷電粒子ビームが、
重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）とヘリウム３原子核３Ｈｅであるもの、及び、
双方共にヘリウム３原子核３Ｈｅであるものの核融合未反応粒子に含まれるヘリウム３原子核３Ｈｅを、
重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）と三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）であるものの核融合未反応粒子に含まれる三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）を、並びに、
双方共に重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）であるものの核融合生成粒子に含まれるヘリウム３原子核３Ｈｅ、及び、三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）を、
電荷質量比の違いを利用してそれぞれ他の荷電粒子から分離する電荷質量分離器６４ｘを備えることを特徴とする請求項１から８までの荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項１０】
星形の断面形状を有する真空容器５５を備え、核融合反応点を取り囲むように配置した回生減速器６５の一部または全部を取り去り、真空容器５５の壁面に対して小さい視斜角で核融合反応によって生成した荷電粒子を反射させて、星形になった真空容器５５の先端のイオン回収路６８に導き、
荷電粒子の運動エネルギーの一部または全部を熱（電磁誘導電流による発熱を含む。）に変換し、真空容器５５及びイオン回収路６８の壁を通して熱伝導により気体あるいは液体を加熱する熱交換室５７を備えることを特徴とする請求項１から９までの荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項１１】
星形の断面形状を有する真空容器５５を備え、核融合反応点を取り囲むように配置した回生減速器６５の一部または全部を取り去り、
真空容器５５の壁面に対して小さい視斜角で核融合反応によって生成した荷電粒子を反射させて、星形になった真空容器５５の先端に導き、ノズルから噴射し、
気体、液体、あるいはこれらと紛体との混合物とノズルから噴射した荷電粒子とを混合することで、
原子核反応及び分子の分解並びに急激な加熱膨張を行う混合反応室５８を備えることを特徴とする請求項１から１０までの荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項１２】
核融合反応点を取り囲むように配置した回生減速器６５の一部、及び、真空容器５５の壁の一部を取り去り、核融合反応による生成粒子の一部を真空である外部に放出することを特徴とする請求項１から１１までの荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。

【手続補正書】
【提出日】平成27年7月24日(2015.7.24)
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向して打ち出す２本の核融合燃料である荷電粒子ビームが、
重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）とヘリウム３原子核３Ｈｅであるもの、
双方共にヘリウム３原子核３Ｈｅであるもの、
重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）と三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）であるもの、及び、
双方共に重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）であるもの、であって、
これらの核融合燃料である荷電粒子を、クーロン力により加速して荷電粒子ビームにする粒子加速器６２、荷電粒子ビームを収束する電子レンズ６３、及び荷電粒子ビームの飛翔方向を変える偏向器６４からなる「荷電粒子ビーム発生器」を２組備えるとともに、
真空容器５５を備え、その中心部で、荷電粒子を核融合燃料の組み合わせによって決まるクーロン障壁を超える速度で対向して衝突させて核融合反応を発生させ、
核融合反応により生成した荷電粒子の運動エネルギーを電磁誘導作用により減速するとともに、電気エネルギーとして取り出す、回生減速器６５を備え、核融合反応点を取り囲むように配置したことを特徴とする荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項２】
セラミックなどの絶縁材料で作成した一方が細くなったテーパー形状の容器に、加速電極（直径が大きい部分には、加速グリッド６２ａを加える。）を軸方向に複数配置し、先に負、次に正の両極性パルスを加え、半導体スイッチを使用して立ち上がり波形を先鋭化するとともに、先行する立下り波形より立ち上がり波形を早く伝搬する特性を有する遅延回路６２ｄを通して、加速電極（グリッド６２ａ）に順次両極性パルスを伝達することによって、クーロン力により荷電粒子を進行方向に加速するとともに圧縮し、容器の形状に従い半径方向にも圧縮して、２本の荷電粒子ビームのバンチを同期して同時に打ち出すことができる進行波型粒子加速器６２ｔを備えることを特徴とする、請求項１の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項３】
荷電粒子ビームを入射することにより、セラミックなどの絶縁材料で作成した一方が細くなったテーパー形状の容器の内面を荷電粒子が全反射しながら通過し、細くなった先端の開口部に荷電粒子を収束することができるキャピラリー６３ｃ（加速電極及び偏向電極を有するものを含む。）を備えることを特徴とする、請求項１から２の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項４】
核融合燃料である２本の荷電粒子ビームを偏向すること及び
荷電粒子パルスのタイミングに合わせて時間的に偏向量を変化することにより、
荷電粒子ビームを互いに正確に衝突するように飛翔方向を調整するとともに、
対向する荷電粒子ビームの未反応燃料粒子を異なる方向に分離し、
燃料である荷電粒子ビームに含まれる異原子核を電荷質量比の違いによって偏向角度が異なることを利用して対向する荷電粒子ビームと衝突しないようにする、
磁界または電界を使用した偏向器を備えることを特徴とする請求項１から３の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項５】
複数の減速グリッド６５ｂから成る回生減速器６５において、核融合反応により生成したパルス状に飛翔する荷電粒子により個々の減速グリッド６５ｂに発生する誘導電荷を、荷電粒子の飛行速度より遅延して、次のグリッド６５ｂに伝達する遅延回路６５ｄ（核融合反応点に近い初段の減速グリッドにおいて、分布定数型のグリッド６５ｆとしたものを含む。）を有する回生減速器６５を備えることを特徴とする請求項１から４の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項６】
核融合反応により生成したパルス状に飛翔する荷電粒子から直接正電荷を受け取り、飛翔する荷電粒子より早く減速グリッド６５ｂに正パルスを順次伝達し、効果的に荷電粒子の減速を行う、核融合反応点に近い絶縁されていない先端部を有する回生減速器６５を備えることを特徴とする請求項１から５の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項７】
対向して打ち出す２本の核融合燃料である荷電粒子ビームが、
双方共に重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）であるもの、及び、
重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）と三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）であるものであって、
核融合生成粒子のうち、回生減速器６５や真空容器５５を透過した中性子を減速するとともに熱に変える中性子減速材１０で満たした熱交換室５７を備え、真空容器５５を取り囲むように配置したことを特徴とする請求項１から６の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項８】
セラミックなどの絶縁材料で作成した筒状の容器の外側に電極を設け、位相の異なるプラスまたはマイナスの高電圧を一定の周期で加えることで、
核融合生成粒子である荷電粒子、及び、
対向して打ち出した２本の荷電粒子ビームのうち衝突しなかった未反応粒子を、
回収して移送するイオン回収チューブ６８ｔを備えることを特徴とする請求項１から７の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項９】
対向して打ち出す２本の核融合燃料である荷電粒子ビームが、
重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）とヘリウム３原子核３Ｈｅであるもの、及び、
双方共にヘリウム３原子核３Ｈｅであるものの核融合未反応粒子に含まれるヘリウム３原子核３Ｈｅを、
重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）と三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）であるものの核融合未反応粒子に含まれる三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）を、並びに、
双方共に重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）であるものの核融合生成粒子に含まれるヘリウム３原子核３Ｈｅ、及び、三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）を、
電荷質量比の違いを利用してそれぞれ他の荷電粒子から分離する電荷質量分離器６４ｘを備えることを特徴とする請求項１から８の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項１０】
核融合反応点を取り囲むように配置した回生減速器６５の一部または全部を取り去り、
星形の断面形状を有する真空容器５５の壁面で荷電粒子を反射して、先端のイオン回収路６８に導き、
荷電粒子の運動エネルギーの一部または全部を熱（電磁誘導電流による発熱を含む。）に変換し、
真空容器５５及びイオン回収路６８の壁を通して熱伝導により気体あるいは液体を加熱する熱交換室５７を備えることを特徴とする請求項１から９の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項１１】
核融合反応点を取り囲むように配置した回生減速器６５の一部または全部を取り去り、
星形に成形した真空容器５５の壁面で荷電粒子を反射して、先端に配置したノズルから噴射し、
気体、液体、あるいはこれらと紛体との混合物とノズルから噴射した荷電粒子とを混合することで、
原子核反応及び分子の分解並びに加熱膨張を行う混合反応室５８を備えることを特徴とする請求項１から１０の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項１２】
核融合反応点を取り囲むように配置した回生減速器６５の一部、及び、真空容器５５の壁の一部を取り去り、核融合反応による生成粒子の一部を真空である外部に放出することを特徴とする請求項１から１１の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【手続補正書】
【提出日】平成27年12月24日(2015.12.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向して打ち出す２本の核融合燃料である荷電粒子ビームが
双方共に重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）であるもの、
重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）と三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）であるもの、
重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）とヘリウム３原子核３Ｈｅであるもの、及び、
双方共にヘリウム３原子核３Ｈｅであるもの、であって、
これらの核融合燃料である荷電粒子をクーロン力により加速してパルス状の荷電粒子ビームのバンチにする粒子加速器６２、荷電粒子ビームを収束する電子レンズ６３、及び荷電粒子ビームの飛翔方向を変える偏向器６４からなる「荷電粒子ビーム発生器」を２組、並びに、真空容器５５を備え、
真空容器５５の中心部に荷電粒子ビームの軸を合わせて収束し、２つの荷電粒子ビームのバンチ全体が相互に衝突するように飛翔方向を調整し、核融合燃料の組み合わせによって決まる核融合反応断面積が大きくなる適切な速度で対向して衝突させて核融合反応を発生させ、
真空容器５５の中心部からパルス状に放射する核融合反応により生成した荷電粒子を電磁誘導作用により減速するとともに、荷電粒子の運動エネルギーを直接電気エネルギーとして取り出す、核融合反応点を取り囲むように配置した回生減速器６５を備え、
炉内から未反応燃料粒子及び核融合生成粒子を回収するイオン回収路６８を備え、
地球上に豊富にある重水素（Ｄ，２Ｈ）を最初の燃料として核融合反応を行い、炉内から回収した核融合生成物である三重水素（Ｔ，３Ｈ）を核融合燃料として使用することで消滅させ、中性子（ｎ）を発生しない核融合燃料ヘリウム３（３Ｈｅ）の生産を行い、核融合燃料サイクルを構成可能なことを特徴とする荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項２】
セラミックなどの絶縁材料で作成した一方が細くなったテーパー形状の容器の外壁面に加速電極（直径が大きい部分には、加速グリッド６２ａを加える。）を軸方向に複数配置し、先に負、次に正の両極性パルスを加え、半導体スイッチを使用して立ち上がり波形を先鋭化するとともに、先行する立下り波形より立ち上がり波形を早く伝搬する特性を有する遅延回路６２ｄの端子Ｎ０〜Ｎｎを通して、加速電極（グリッド６２ａ）に順次両極性パルスを印加することによって、クーロン力により荷電粒子を進行方向に加速するとともに圧縮し、容器の形状に従い半径方向にも圧縮して、２本の荷電粒子ビームのバンチを同期して同時に打ち出すことができる電界ピストン型粒子加速器６２ｔを備えることを特徴とする、請求項１の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項３】
複数の減速グリッド６５ｂから成る回生減速器６５において、核融合反応により生成したパルス状に飛翔する荷電粒子により個々の減速グリッド６５ｂに発生する誘導電荷を、荷電粒子の飛行速度より遅延して、次のグリッド６５ｂに伝達する遅延回路６５ｄ（核融合反応点に近い初段の減速グリッドにおいて、分布定数型のグリッド６５ｆとしたものを含む。）を有する回生減速器６５を備えることを特徴とする請求項１から２の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項４】
核融合反応により生成したパルス状に飛翔する荷電粒子から直接正電荷を受け取り、飛翔する荷電粒子より早く減速グリッド６５ｂに正パルスを順次伝達し、効果的に荷電粒子の減速を行う、核融合反応点に近い絶縁されていない先端部を有する回生減速器６５を備えることを特徴とする請求項１から３の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項５】
対向して打ち出す２本の核融合燃料である荷電粒子ビームが、
双方共に重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）であるもの、及び、
重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）と三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）であるものであって、
核融合生成粒子のうち、回生減速器６５や真空容器５５を透過した中性子を減速するとともに熱に変える中性子減速材１０で満たした熱交換室５７を備え、真空容器５５を取り囲むように配置したことを特徴とする請求項１から４の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項６】
セラミックなどの絶縁材料で作成した筒状の容器の外側に電極を設け、位相の異なるプラスまたはマイナスの高電圧を一定の周期で加えることで、
核融合生成粒子である荷電粒子、及び、
対向して打ち出した２本の荷電粒子ビームのうち衝突しなかった未反応粒子を回収して、荷電粒子の状態で移送するイオン回収チューブ６８ｔを備えることを特徴とする請求項１から５の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項７】
対向して打ち出す２本の核融合燃料である荷電粒子ビームが、
双方共に重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）であるものの核融合生成粒子に含まれるヘリウム３原子核３Ｈｅ、及び、三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）を、
重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）と三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）であるものの核融合未反応粒子に含まれる三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）を、並びに、
重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）とヘリウム３原子核３Ｈｅであるもの、及び、
双方共にヘリウム３原子核３Ｈｅであるものの核融合未反応粒子に含まれるヘリウム３原子核３Ｈｅを、
電荷質量比の違いを利用してそれぞれ他の荷電粒子から分離する電荷質量分離器６４ｘを備えることを特徴とする請求項１から６の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項８】
核融合反応点を取り囲むように配置した回生減速器６５の一部または全部を取り去り、
星形の断面形状を有する真空容器５５の壁面で荷電粒子を反射して、先端のイオン回収路６８に導き、
荷電粒子の運動エネルギーの一部または全部を熱（電磁誘導電流による発熱を含む。）に変換し、
真空容器５５及びイオン回収路６８の壁を通して熱伝導により気体あるいは液体を加熱する熱交換室５７を備えることを特徴とする請求項１から７の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項９】
核融合反応点を取り囲むように配置した回生減速器６５の一部または全部を取り去り、
星形に成形した真空容器５５の壁面で荷電粒子を反射して、先端に配置したノズルから噴射し、
気体、液体、あるいはこれらと紛体との混合物とノズルから噴射した荷電粒子とを混合することで、
原子核反応及び分子の分解並びに加熱膨張を行う混合反応室５８を備えることを特徴とする請求項１から８の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【請求項１０】
核融合反応点を取り囲むように配置した回生減速器６５の一部、及び、真空容器５５の壁の一部を取り去り、核融合反応による生成粒子の一部を宇宙空間に放出することにより推進力を得ることを特徴とする請求項１から９の荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射性物質を環境に排出しない、核融合燃料サイクルを構成可能な、純粋な核融合反応を行う核融合発電装置及び移動体の推進装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
核分裂反応を利用する発電については、２０１１年に発生した福島県における原子力発電所事故を発端として危険性が強く認識されることとなった。
核融合による原子力発電については世界中で精力的に研究が進められているが、安全な方式で、実用化の見通しを確立したものは未だ存在していない。
【０００３】
現在研究が進められている核融合炉の方式は、放射性物質を含む燃料による磁気プラズマ閉じ込め方式やレーザーなどを照射する慣性核融合方式の開発が行われている。
核融合反応の自己点火を目標としており、実現が容易とされる「Ｄ−Ｄ」反応（重水素同士の核融合反応）や「Ｄ−Ｔ」反応（重水素と三重水素の核融合反応）といった放射性物質を含む核融合反応の研究が中心である。
【０００４】
荷電粒子ビームを利用する研究も存在しているが、もっぱら磁気閉じ込め方式の核融合プラズマを加熱するため、あるいは、レーザー光の代わりに慣性核融合方式のペレットを照射すためであり、荷電粒子ビーム同士を衝突させることで核融合反応を発生する方式についての研究は見当たらない。
【０００５】
また、プラズマを使用する方法では、プラズマ内に核融合生成物質が蓄積すると、核融合反応が複雑になり、放射性物質も増えてしまう欠点がある。
また、現在研究されている多くの核融合反応炉は、熱を電気に変換するプロセスが必要となるため、プラントの規模が大きくなるとともに、電気への変換効率が低くなる原因となっている。
【０００６】
既に直接電気としてエネルギーを取り出すことができる磁気プラズマ閉じ込め方式の核融合炉について研究されているが、三重水素など放射性物質を含む反応を利用しているため、安全性に問題が残る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１８３１９４気体又は液体から指向性イオンビームを発生する装置
【特許文献２】特開２００６−１８９２２４動力用核融合炉
【特許文献３】特開２００６−３０８６０５磁気反転配位における制御された融合および直接的なエネルギー変換
【特許文献４】特開２００９−５１２９８５連続パルス進行波加速器
【特許文献５】特開２０１３−５２８３１０衝突を生じさせるための二つの粒子ビーム用加速器
【特許文献６】特開２００８０２２９９１エネルギー付与キャピラリー、エネルギー付与装置、および製造方法
【特許文献７】特許５７１１８６５容積可変軸流ネジポンプ及び外燃機関
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】ＬＨＤにおけるＤ−３Ｈｅ核融合の検討ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ.ｎｉｆｓ.ａｃ.ｊｐ／ｒｅｐｏｒｔ／ＮＩＦＳ−ＭＥＭＯ−０２１．ｐｄｆ
【非特許文献２】トリチウムから見た核融合炉の成立性ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ.ｊｓｐｆ.ｏｒ.ｊｐ／Ｊｏｕｒｎａｌ／ＰＤＦ＿ＪＳＰＦ／ｊｓｐｆ２０１１＿０８／ｊｓｐｆ２０１１＿０８−５０３．ｐｄｆ
【非特許文献３】先進燃料Ｄ−３Ｈｅ 核融合におけるａｒｔｅｍｉｓ 直接エネルギー変換の実験則の研究ｈｔｔｐ：／／ｊａｓｏｓｘ．ｉｌｓ．ｕｅｃ．ａｃ．ｊｐ／ＪＳＰＦ／ＪＳＰＦ＿ＴＥＸＴ／ｊｓｐｆ２００８／ｊｓｐｆ２００８＿０２／ｊｓｐｆ２００８＿０２−１１７−ｊｐ．ｐｄｆ
【非特許文献４】進行波型直接エネルギー変換器の計算機シミュレーションｈｔｔｐ：／／ｊａｓｏｓｘ．ｉｌｓ．ｕｅｃ．ａｃ．ｊｐ／ＪＳＰＦ／ＪＳＰＦ＿ＴＥＸＴ／ｊｓｐｆ１９９９／ｊｓｐｆ１９９９＿１２／ｊｓｐｆ１９９９＿１２−１３９６−ｊｐ．ｐｄｆ
【非特許文献５】１.Ｄ−３Ｈｅ核融合の必要性と要請条件ｈｔｔｐ：／／ｊａｓｏｓｘ．ｉｌｓ．ｕｅｃ．ａｃ．ｊｐ／ＪＳＰＦ／ＪＳＰＦ＿ＴＥＸＴ／ｊｓｐｆ１９９５／ｊｓｐｆ１９９５＿０６／ｊｓｆｐ１９９５＿０６−４７１．ｐｄｆ
【非特許文献６】２．Ｄ−３Ｈｅ核融合反応の物理的特性ｈｔｔｐ：／／ｊａｓｏｓｘ．ｉｌｓ．ｕｅｃ．ａｃ．ｊｐ／ＪＳＰＦ／ＪＳＰＦ＿ＴＥＸＴ／ｊｓｐｆ１９９５／ｊｓｐｆ１９９５＿０６／ｊｓｐｆ１９９５＿０６−４７５．ｐｄｆ
【非特許文献７】３．Ｄ−３Ｈｅ核融合炉とＦＲＣ方式ｈｔｔｐ：／／ｊａｓｏｓｘ.ｉｌｓ.ｕｅｃ.ａｃ.ｊｐ／ＪＳＰＦ／ＪＳＰＦ＿ＴＥＸＴ/ｊｓｐｆ１９９５／ｊｓｐｆ１９９５＿０６／ｊｓｐｆ１９９５＿０６−４８１．ｐｄｆ
【非特許文献８】４．ＦＲＣプラズマの生成  ｈｔｔｐ：／／ｊａｓｏｓｘ.ｉｌｓ.ｕｅｃ.ａｃ.ｊｐ／ＪＳＰＦ／ＪＳＰＦ＿ＴＥＸＴ／ｊｓｐｆ１９９５／ｊｓｐｆ１９９５＿０６／ｊｓｐｆ１９９５＿０６−４９１．ｐｄｆ
【非特許文献９】７．直接エネルギー変換ｈｔｔｐ：／／ｊａｓｏｓｘ.ｉｌｓ.ｕｅｃ.ａｃ.ｊｐ／ＪＳＰＦ／ＪＳＰＦ＿ＴＥＸＴ／ｊｓｐｆ１９９５／ｊｓｐｆ１９９５＿０６／ｊｓｐｆ１９９５＿０６−５１６．ｐｄｆ
【非特許文献１０】８．Ｄ−３Ｈｅ核融合の燃料シズテムｈｔｔｐ：／／ｊａｓｏｓｘ.ｉｌｓ.ｕｅｃ.ａｃ.ｊｐ／ＪＳＰＦ／ＪＳＰＦ＿ＴＥＸＴ／ｊｓｐｆ１９９５／ｊｓｐｆ１９９５＿０６／ｊｓｐｆ１９９５＿０６−５２２．ｐｄｆ
【非特許文献１１】９．ヘリウム３資源［１］ｈｔｔｐ：／／ｊａｓｏｓｘ．ｉｌｓ．ｕｅｃ．ａｃ．ｊｐ／ＪＳＰＦ／ＪＳＰＦ＿ＴＥＸＴ／ｊｓｐｆ１９９５／ｊｓｐｆ１９９５＿０６／ｊｓｐｆ１９９５＿０６−５２６．ｐｄｆ
【０００９】
【非特許文献１２】Ｄ３Ｈｅ核融合生成陽子のエネルギー分布と 直接エネルギー変換ｈｔｔｐ：／／ｊａｓｏｓｘ．ｉｌｓ．ｕｅｃ．ａｃ．ｊｐ／ＪＳＰＦ／ＪＳＰＦ＿ＴＥＸＴ／ｊｓｐｆ２００２／ｊｓｐｆ２００２＿０７／ｊｓｐｆ２００２＿０７−６８５．ｐｄｆ
【非特許文献１３】３Ｈｅ３Ｈｅ核融合反応プラズマからの中性子発生の概算ｈｔｔｐ：／／ｊａｓｏｓｘ．ｉｌｓ．ｕｅｃ．ａｃ．ｊｐ／ＪＳＰＦ／ＪＳＰＦ＿ＴＥＸＴ／ｊｓｐｆ１９９０／ｊｓｐｆ１９９０＿１１／ｊｓｐｆ１９９０＿１１−４３０．ｐｄｆ
【非特許文献１４】３Ｈｅアドバンスド燃料核融合の展望ｈｔｔｐ：／／ｊａｓｏｓｘ．ｉｌｓ．ｕｅｃ．ａｃ．ｊｐ／ＪＳＰＦ／ＪＳＰＦ＿ＴＥＸＴ／ｊｓｐｆ１９８９／ｊｓｐｆ１９８９＿０１／ｊｓｐｆ１９８９＿０１−５．ｐｄｆ
【非特許文献１５】３．リニアコライダ衝突点におけるプラズマの利用ｈｔｔｐ：／／ｊａｓｏｓｘ．ｉｌｓ．ｕｅｃ．ａｃ．ｊｐ／ＪＳＰＦ／ＪＳＰＦ＿ＴＥＸＴ／ｊｓｐｆ１９９４／ｊｓｐｆ１９９４＿０４／ｊｓｐｆ１９９４＿０４−３６２．ｐｄｆ
【非特許文献１６】４．大気圧プラズマを点けてみようｈｔｔｐ：／／ｊａｓｏｓｘ．ｉｌｓ．ｕｅｃ．ａｃ．ｊｐ／ＪＳＰＦ／ＪＳＰＦ＿ＴＥＸＴ／ｊｓｐｆ２００８／ｊｓｐｆ２００８＿０１／ｊｓｐｆ２００８＿０１−１９．ｐｄｆ
【非特許文献１７】低周波パルス駆動大気圧プラズマジェットの微細化と時間分解計測ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｓｐｆ．ｏｒ．ｊｐ／ｊｓｐｆ＿ａｎｎｕａｌ０９／ＪＳＰＦ２６／ｐｄｆ／１ｐＤ１７Ｐ．ｐｄｆ
【非特許文献１８】ガラスキャピラリーによるガイド効果を利用した低速多価イオンマイクロビームの生成ｈｔｔｐ：／／ｂｅａｍ．ｓｐｒｉｎｇ８．ｏｒ．ｊｐ／ｌｏｃａｌｆｓ／ｂｅａｍ＿Ｗｅｂ／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ＿２００８／Ｉｋｅｄａ．ｐｄｆ
【非特許文献１９】ナノキャピラリーを有する大気圧プラズマジェットを用いたナノサイズ反応場の生成ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｓｐｆ．ｏｒ．ｊｐ／ｊｓｐｆ＿ａｎｎｕａｌ１０／ＪＳＰＦ２７／ｐｄｆ／０３Ｐ２６．ｐｄｆ
【非特許文献２０】未踏のルミノシティを目指すＳｕｐｅｒＫＥＫＢ加速器ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｋｅｋ．ｊｐ／ｊａ／ＰｕｂｌｉｃＲｅｌａｔｉｏｎｓ／ＤｉｇｉｔａｌＬｉｂｒａｒｙ／２０１１０６１８＿１＿Ａｋａｉ．ｐｄｆ
【非特許文献２１】ＫＥＫＢ加速器前人未踏のルミノシティを達成ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ−ａｃｃ．ｋｅｋ．ｊｐ／ｋｅｋｂ／Ｔａｌｋ／ｏｉｄｅ／１０％５Ｅ３４．ｐｄｆ
【非特許文献２２】２重ノズル型パウダージェットデポジション装置の開発ｈｔｔｐ：／／ｌｃｄｅｖ．ｋｅｋ．ｊｐ／ＭｅｃｈＷＳ／２００７／ＭＷ０７−０９Ｙｏｓｈｉｈａｒａ．ｐｄｆ
【非特許文献２３】磁気によるプラズマの加速（プラズマ銃と磁気進行波ピストン）ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｊｓｔａｇｅ．ｊｓｔ．ｇｏ．ｊｐ／ａｒｔｉｃｌｅ／ｊｓｐｆ１９５８／８／３／８＿３＿２３５／＿ｐｄｆ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
解決しようとする課題は、現在研究が進められている多くの核融合炉は、エネルギーを膨大な熱として取り出すこと、移動体で利用が困難なこと、並びに、放射性物質を含む核反応を利用するため、安全性に問題があることである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明は、放射性物質及び中性子等の危険な放射線を生成しない核融合反応のみを選択的に利用するとともに、核融合反応により生成したエネルギーを熱以外の形態に直接変換する手段として、荷電粒子の運動エネルギーから直接電気エネルギーとして取得する手段（電力変換手段）、並びに、移動体の推進手段について提案するものである。
【００１２】
表１は、非特許文献１に示される、重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）及び三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）を燃料とする核融合反応と生成エネルギーである。
表１  良く知られている核融合反応の例
2016109658.tif 000022
敢えて三重水素（３Ｈ、Ｔ）を含む核融合反応をリストしたが、中性子ｎ及び三重水素原子核３Ｈ（Ｔ）が含まれ、三重水素は、１ｇで３．６×１０１４Ｂｑ、半減期１２．３年の弱いβ線を放出してヘリウム３に崩壊するが、内部被ばくをすると大変危険な、常温で気体の放射性物質である。
これらの核反応を利用する核融合炉では、非特許文献２によると運転と並行して炉内のプラズマから三重水素（３Ｈ、Ｔ）の除去処理を同時に行う必要があるが、漏えい事故や破壊的な事故が起これば核分裂型原子炉と同様に炉内の三重水素（３Ｈ、Ｔ）が飛散する危険がある。
【００１３】
福島の原子力事故で発生した汚染水に含まれる三重水素（３Ｈ、Ｔ）の総量は、僅か１グラムに満たないとされるが、汚染水が溜まる一方で収拾がつかない状況にある。非特許文献１０に示されるように、２００ＭＷ程度の「Ｄ−Ｔ」反応を利用した実用核融合炉が稼働するには、年間数十キログラムの三重水素（３Ｈ、Ｔ）を燃料として取り扱うことになるが、貯蔵分は水素吸蔵合金を使用して飛散の危険性を回避するとしても、炉内及び分離処理中の放射性物質の飛散が考えられるので、稼働実績のある核分裂型原子炉よりも危険性の高いプラントであると認識すべきである。
【００１４】
中性子ｎは、重い原子核と反応することができ、核分裂型原子炉の核分裂反応において中心的役割を果たしてきた。中性子ｎ自体は、平均１５分で崩壊するため、核融合炉の運転を止めた後、短時間で影響が消滅すると考えられるが、炉心壁を脆化するなど、炉壁等への影響が大きい。また、中性子ｎは、電荷を持たないため、エネルギーを直接電気として取り出す手段が使えない。
【００１５】
表２は、放射性物質を発生しないヘリウム３原子核３Ｈｅを含む燃料を使用する核融合反応の一覧である。
表２  純粋な核融合反応の例
2016109658.tif 000023
「Ｄ−３Ｈｅ」反応では、約１８ＭｅＶのエネルギーが、ヘリウム原子核４Ｈｅ（アルファ粒子α）と水素原子核１Ｈ（陽子またはプロトン粒子ｐ）の飛翔という形で放出される。
「３Ｈｅ−３Ｈｅ」は、約１３ＭｅＶのエネルギーが、ヘリウム原子核４Ｈｅ（アルファ粒子α）と２個の水素原子核１Ｈ（陽子またはプロトン粒子ｐ）の飛翔という形で放出される。
この２種類の核融合反応は、放射性物質を含まず、かつ、荷電粒子のみが放出される核融合反応であるので、非特許文献３、４、９、１２等に提案されているように、直接電気エネルギーとして取得する手段が利用できる。
【００１６】
核融合反応を発生させるために、燃料となる物質の電子を剥ぎ取り、荷電粒子としたうえで、原子核が持つクーロン障壁を超える速度で衝突させる必要がある。
「Ｄ−３Ｈｅ」反応のクーロン障壁約５７５ｋｅＶに対して、生成エネルギーは、約３０倍の約１８ＭｅＶである。
「３Ｈｅ−３Ｈｅ」反応のクーロン障壁約１１５０ｋｅＶに対して、生成エネルギーは、約１１倍の約１３ＭｅＶである。
荷電粒子ビームの生成、加速に要するエネルギーが、電気エネルギーとして取り出し可能なエネルギー以下であることが求められる。これは核融合炉の一種の臨界条件に相当する。
【００１７】
重水素原子核２Ｈ（Ｄ）ビームとヘリウム３原子核３Ｈｅビームとを、クーロン障壁を越える速度で衝突させる方法については、粒子加速器による素粒子の研究のための衝突実験設備として多数の施設が現存しており、反応率自体は低いが、非特許文献２０、２１等に示されるとおり、研究レベルでは核反応を確実に発生させることができている。
ビームの密度が低いと、核融合反応を生じる確率が小さく、商用電力設備としては成立しない。商用電力設備として実用化するには、ビームの大電力化とビームの正確な収束、３．３％（「Ｄ−３Ｈｅ」反応の場合。）を大きく超える粒子が衝突して安定に核融合反応を生じること、並びに、各部が効率的であることが求められる。
【００１８】
放射性物質を出さないようにするためには、特定の反応以外の核融合反応を生じないようにしなければならない。非特許文献１３に、ヘリウム３原子核３Ｈｅのプラズマに、ヘリウム３原子核３Ｈｅのビームを打ち込む場合の副反応として、表３の反応が副次的に発生することが示されている。
副次的な核融合反応に、ガンマー線γ、ベリリウムＢｅ、リチウムＬｉが含まれる。
表３  プラズマ核融合の副反応例
2016109658.tif 000024
【００１９】
荷電粒子（燃料粒子）ビームを対向して衝突させる方式（以下、「荷電粒子ビーム衝突方式」という。）であれば、目的外の核反応を大きく低減し、「Ｄ−３Ｈｅ」反応、または「３Ｈｅ−３Ｈｅ」反応による核融合反応を選択的に発生することが出来る。
（荷電粒子ビーム衝突方式は、「Ｄ−Ｄ」反応や「Ｄ−Ｔ」反応による核融合を発生することができる。ただし、主反応に放射性物質が含まれるので、放射性物質の発生を抑制することはできない。）
【００２０】
粒子加速器により核反応を発生することができることは周知のことであるが、原子核の破壊実験（素粒子に関する探究）が中心であり、エネルギー装置として利用については、考えられてこなかった。
特定の核融合反応のみを選択的に発生させ、放射性物質の発生を抑制することができる。
放射性物質を排出しない「純粋な核融合」を行うため、荷電粒子ビーム衝突方式による「Ｄ−３Ｈｅ」反応若しくは「３Ｈｅ−３Ｈｅ」反応以外に選択肢は無い。
【発明の効果】
【００２１】
一切の放射性物質を出さない純粋な核融合反応による原子力発電装置、並びに、宇宙機、航空機、船舶、車両等の推進装置を提供することができる。
エネルギー改革をもたらすとともに、従来の手法とは異なる動力源による移動手段を提供することができ、廃棄物の処理などに応用できるなど、あらゆる分野での応用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】荷電粒子ビーム衝突型核融合炉の構成図
【図２】（ａ）燃料ビームの経路図、（ｂ）ビームの偏向詳細図
【図３】（ａ）回生減速器（五角形）の外観、（ｂ）回生減速器（六角形）の外観、（ｃ）回生減速器の断面図、（ｄ）回生減速器の等価回路、（ｅ）多面体（回生減速器の組立状態を示す図）
【図４】荷電粒子のレベルダイヤグラム
【図５】荷電粒子の飛翔図
【図６】（ａ）電界ピストン型粒子加速器の説明図、（ｂ）加速電圧波形
【図７】航空機・宇宙シャトル（ａ）の正面図、（ｂ）上面図、（ｃ）エンジン縦断面図、（ｄ）エンジン横断面図、（ｅ）真空容器と熱交換室の部分拡大図、（ｆ）キャピラリー周辺図
【図８】噴射質量に対する噴射速度と推力
【図９】宇宙機（ａ）外観図、（ｂ）エンジン縦断面図、（ｃ）エンジン横断面図
【図１０】外宇宙探査機（ａ）正面図、（ｂ）上面図、（ｃ）エンジン断面図
【図１１】（ａ）「Ｄ−Ｄ」・「Ｄ−Ｔ」・「Ｄ−３Ｈｅ」複合炉
【図１２】（ａ）「Ｄ−Ｄ」・「Ｄ−Ｔ」複合炉、（ｂ）中性子遮蔽・熱−電気変換、（ｃ）イオン回収チューブ断面図、（ｄ）「Ｄ−Ｄ」反応粒子飛翔図、（ｅ）「Ｄ−Ｔ」反応粒子飛翔図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１は、荷電粒子ビーム衝突型核融合炉の構成図である。
荷電粒子ビーム衝突方式の核融合炉は、重水素（２Ｈ、デューテリウムＤ）及びヘリウム３（３Ｈｅ）の燃料ガス５２、５３、燃料ガスの荷電粒子発生器６１、粒子加速器６２、電子レンズ６３、磁気偏向器６４ｍ、真空容器５５、回生減速器６５、その他、図１には示していないが、イオン回収路６８、中和器（電子発生器）６９等からなる。
【００２４】
荷電粒子発生器６１は、燃料気体を電離し、加速器６２は、重水素原子核２Ｈ（Ｄ）を１６０ｋｅＶ、ヘリウム３原子核３Ｈｅを２４０ｋｅＶまで加速（何れも３，９１４ｋｍ／Ｓで同じ速度である。）して、真空容器５５の中央で衝突（核融合反応点は、図中の「向かい合う矢印」で示している。）させている。
【００２５】
不要な副反応を軽減するため、相対速度がクーロン障壁である５７５ｋｅＶを超えない速度（４００ｋｅＶ）で衝突させる。核融合した粒子は、水素原子核１Ｈ（陽子またはプロトン粒子ｐ）が１４ＭｅＶ（５１，７８０ｋｍ／Ｓ）で、ヘリウム４原子核４Ｈｅ（アルファ粒子α）が３．５ＭｅＶ（１２，９４５ｋｍ／Ｓ）で、互いに反対方向に飛翔する。
燃料粒子２Ｈと３Ｈｅの質量が異なるため、衝突に８０ｋｅＶの偏りを生じるが、ほぼ等方に飛翔する。
【００２６】
重水素原子核２Ｈ（Ｄ）とヘリウム３原子核３Ｈｅが衝突するときの反応断面積は、非特許文献１（図１．２−１）、非特許文献６（図２．２）によると、クーロン障壁が４００ｋｅＶ付近に極大（理論値の５７５ｋｅＶより小さい。）があり、約０．８ｂａｒｎｓ（１０−２４ｃｍ２）とされる。
ヘリウム３原子核３Ｈｅ同志のクーロン障壁は、２倍になるとされるが、反応断面積は、大きくない。
【００２７】
真空容器５５の中には、核融合反応によって生成した荷電粒子１Ｈ及び４Ｈｅの運動エネルギーを、電磁誘導作用により電気エネルギーとして取り出す装置である回生減速器６５が、核融合反応点（図中の向かい合う矢印で示す。）を取り囲むように配置している。
生成粒子１Ｈと４Ｈｅ（何れも正の電荷を持つ荷電粒子。）が飛び出すので、その運動エネルギーを熱として、そして、電磁誘導作用等により直接電気出力としてエネルギーを得ることができる。
【００２８】
図２（ａ）に、真空容器５５の中の回生減速器６５を取り去り、燃料粒子２Ｈ、３Ｈｅのビームの経路図を示す。（図１と異なっているが、ビームの経路は、偏向器６４により屈曲させて、回生減速器６５の間隙に設けている。）
真空容器の左右２カ所から燃料となる荷電粒子２Ｈ、３Ｈｅを打ち込み、磁気偏向器６４ｍにより燃料である荷電粒子ビームを１回または数回の偏向を行った上で、真空容器５５の中央で衝突させる。
【００２９】
燃料粒子のビームのうち核融合反応しなかった燃料粒子２Ｈ、３Ｈｅが、目的としない核融合反応を生じてしまうことを防ぐため、磁気偏向器６４ｍにより入射した燃料粒子と異なる方向に偏向し、未反応燃料粒子６８ｎとして分離して回収する。回収した未反応燃料粒子６８ｎは、精製の上、再び燃料として使用することができる。
図２（ｂ）に、ビームの偏向の詳細を示す。２つの磁気偏向器６４ｍの磁界の方向は、逆方向である。燃料粒子ビームに含まれる異種原子核を異なる方向に偏向するので、燃料粒子２Ｈ、３Ｈｅの純度を上げる働きもする。(分離した異種原子核同士が対向する粒子等と衝突しないように考慮する必要がある。)
【００３０】
重水素原子核２Ｈ（Ｄ）とヘリウム３原子核３Ｈｅとの間のクーロン障壁は、５７５ｋｅＶ（９４００ｋｍ／Ｓ）であるが、非特許文献１（図１．２−１）、非特許文献６（図２．２）によると、４００ｋｅＶのとき、「Ｄ−３Ｈｅ」核融合反応の反応断面積σは、約０．８ｂａｒｎｓ（１０−２４ｃｍ２）である。毎秒７．２８×１０２０個の粒子が、相対速度ｖ（７，８２８ｋｍ／Ｓ）で、直径０．２μｍに絞り込まれて、粒子密度ρの荷電粒子が他方の荷電粒子に打ち込まれるのであるから、長さ７．８３×１０８ｃｍの円筒を考えて、
ρ＝７．２８×１０２０／（π×（０．１×１０−４）２×７．８３×１０８）
≒１．４８×１０２１［ｃｍ３］
粒子数が１／ｅとなる平均自由行程λｅは、
λｅ＝１／（ρ・σ）
≒８４４［ｃｍ］
【００３１】
衝突の中央部では、各々の粒子が二分の１になっていること、反応領域が平均自由行程λｅを超えて左右に大きく広がることなどから、１０ｍを超える長い領域で核融合反応を生じることになる。
炉の長さが約１０ｍであった場合、磁気偏向器６４ｍで荷電粒子ビームを分離するまで核融合反応が続き、磁気偏向器６４ｍは核融合生成粒子に曝される。（１０ｍに亘って０．２μｍ以内に収束し、かつ、２種類の燃料ビーム（２Ｈと３Ｈｅ）を全域に亘って重ねることは、非常に難しい。）
【００３２】
核融合反応点（図中の向かい合う矢印で示す。）を取り囲むように回生減速器６５が入っており、高速で飛翔する荷電粒子の中に高周波電圧を加えた電極を置いて速度変調を加え、後方に配置した電極で、荷電粒子の密度変化を高周波電力として回収することができる。（電力として回収する方法については非特許文献４、９、１２などに多様な方法が提案されている。）
速度を失った荷電粒子は、正の電圧にバイアスされたイオン回収路６８の壁に衝突し、電子を得て中和し、気体として回収する。イオン回収路６８の壁を電極として、荷電粒子に残存する運動エネルギーを電力として回収することができる。（非特許文献１２に提案されている。）
【００３３】
核融合反応をせずに通り過ぎた粒子は、未反応燃料６８ｎとして回収する。
核融合反応生成粒子１Ｈ、４Ｈｅがあらゆる方向に等方に飛翔する。生成粒子が燃料粒子に衝突する比率は、燃料粒子のビーム径が０．２μｍと極めて小さいので、目的外の副反応を生じる率は、十分小さいと考えられる。
炉内に散乱した粒子についても、目的外の核反応の原因となるので、炉内部に電位勾配を付けるなどして回収することが望ましい。
【００３４】
次に、２，０００Ｈｚの周波数で粒子加速器６２を交流駆動することを考える。
荷電粒子は、駆動波形の１点に集められるから、加速した荷電粒子はパルス状のバンチが成形される。
燃料粒子の周期は、５００μＳであり、パルス幅が１０ｎＳであった場合を考える。
燃料粒子の速度が３，９１４ｋｍ／Ｓであるから、間隔１，９５７ｍ、長さ３．９ｃｍのバンチを形成する。
燃料粒子を同期して左右から０．５μｍに収束して打ち出すと、相対速度が７，８２８ｋｍ／Ｓで衝突するから、ほとんどの粒子が中央の約２ｃｍの範囲内で衝突する。
バンチの後部ほど未反応粒子が残る割合が多くなり、磁気偏向器６４ｍで偏向して未反応燃料粒子６８ｎとして回収する。
【００３５】
発電電力が２００ＭＷの荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０の、多面体３２（正五角形１２面、正六角形２０面の切頂二十面体）を構成する３２個の回生減速器６５は、１個当たり４．７〜７．２ＭＪのエネルギーを取り扱うことになる。
回生減速器６５の各部に循環する管を配置して冷却するが、エネルギーが集中する個所の温度は高くなる。
炉の大きさは、使用する材料の耐熱温度、取り扱うエネルギーに対する冷却能力などによって決まる。
また、炉内に使用する材料は、二次粒子やガスの発生が少ない材料を使用する必要がある。
【００３６】
電子レンズは、１ｍ以上離れた位置から、長さ４．７ｃｍの範囲において、０．５μｍ以内に収束する必要がある。（核融合反応点に近い位置に、電子レンズの配置を変更することは可能である。）
合掌状態は、ビームを太くした状態（収束しない状態）で少しずつ偏向方向を変えてビームを発射し、核融合反応が最大となる方向を探索する。さらに収束の度合いを上げて、最大反応方向を探ることを繰り返すことによる。荷電粒子ビームのバンチ全体が衝突するように磁気偏向器６４ｍの調整を繰り返す。（未反応燃料粒子６８ｎの回収路にセンサーを配置して、燃料粒子ビームの方向を把握する方法も考えられる。）
【００３７】
核融合反応の結果生成された水素原子核１Ｈ（陽子、プロトン粒子ｐ）とヘリウム原子核４Ｈｅ（アルファ粒子α）は、異なる速度で飛翔するので、回生減速器６５に到達する時刻も異なる。
回生減速器６５は、総エネルギーの８０％を占める水素原子核１Ｈ（ｐ）の減速に最適化するように設計されている。
【００３８】
遅れて到達したヘリウム原子核４Ｈｅ（α）は、若干加速された上で、減速を受けるが、誘起する電圧が低く、十分エネルギーの回収ができない可能性が考えられる。
また、遅れて到達したヘリウム原子核４Ｈｅ（α）が水素原子核１Ｈ（ｐ）の減速により追いつき、一緒に減速する方法が考えられる。すなわち、減速グリッド６５ｂの間隔を空ける方法、または、水素原子核１Ｈ（ｐ）のみを減速する１段目の回生減速器と、間隔を空けてヘリウム原子核４Ｈｅ（α）が追いつき一緒に減速する２段目の回生減速器に分ける方法などが考えられる。      
【００３９】
振動による収束位置の変動は、合掌状態のズレを引き起こし、核融合反応が途絶える原因となる。免震及び防振対策を行うが、衝突までの燃料粒子の飛翔時間を厳密に同一にすることで、炉の振動による影響を相殺し軽減することができる。
【００４０】
図３（ａ）から（ｆ）は、回生減速器６５の形状、構成および飛翔する生成粒子１Ｈ、４Ｈｅから直接電力を得る原理の説明図である。
生成粒子１Ｈ、４Ｈｅは、あらゆる方向に均等に飛翔するので、正多面体、準正多面体などの面の構成方法を参考に、核融合反応点を中心に隙間なく取り囲むように回生減速器６５を配置している。
【００４１】
半径方向にパルス状に飛翔する生成粒子１Ｈ、４Ｈｅ（いづれも正電荷）によるグリッド６５ｂに発生する誘導電荷（負）を、生成粒子１Ｈ、４Ｈｅの飛翔速度より遅延して次のグリッド６５ｂに伝達するので、後方から生成粒子１Ｈ、４Ｈｅに制動をかけるとともに、さらに誘導電荷が加わって伝播することになる。回生減速器６５により生成粒子１Ｈ、４Ｈｅの運動エネルギーが電気エネルギーに変換される。
【００４２】
図３（ａ）及び（ｂ）は、個々の回生減速器６５の外観を示す。五角形または六角形の複数の減速グリッド６５ｂを積み重ねた形状で、（ｃ）の断面図及び（ｄ）の等価回路で示すように、遅延回路６５ｄから構成されている。
五角形及び六角形の回生減速器６５は、（ｅ）の多面体３２（切頂二十面体）を構成するように組み立てる。
【００４３】
図３（ｃ）に示すように、十分に減速した生成粒子１Ｈ、４Ｈｅが、真空容器５５の内部に滞留しないように、負電圧を加えた加速グリッド６７ａを配置し、イオン回収路６８に導くよう電位勾配を付けている。
導電性材料で作られたイオン回収路６８内部で、電子を加えて中和して気体に戻して回収するとともに、生成粒子１Ｈ、４Ｈｅの電荷を電流に変換している。  
【００４４】
真空容器５５の内部で電子を与えて中和すると、気体分子（１Ｈ、４Ｈｅ）が滞留する原因となるので、イオン回収路６８の内部で磁場絶縁ダイオードを構成するなどし、電子や気体分子（１Ｈ、４Ｈｅ）が反応器の中心部に戻らないようにする。
燃料粒子２Ｈ、３Ｈｅを偏向するとき、生成粒子１Ｈ、４Ｈｅを減速するときなどに放射光を生じるが、放射光の照射を受ける箇所にも、電子雲を発生させない対策及び電位勾配を設けて除去する対策が必要である。
【００４５】
回生減速器６５を構成する減速グリッド６５ｂや遅延回路６５ｄは、その表面がセラミックなどの絶縁材料でおおわれており、生成粒子１Ｈ、４Ｈｅの衝突により正電位に帯電し、正電圧にバイアスされるので、同一の極性の電荷が反発するので、時間の経過とともに荷電粒子１Ｈ、４Ｈｅの衝突が減少する。
【００４６】
２層目以降のグリッドは、前層のグリッドの影響を考慮して、生成粒子１Ｈ、４Ｈｅの衝突の少ない位置に配置している。
遅延回路６５ｄの中心側の先端は、絶縁されていないので、生成粒子１Ｈ、４Ｈｅが最初の減速グリッド６５ｂに達する直前に正電荷パルスを受け取り、順次減速グリッド６５ｂに正パルスを伝達し、効果的に生成粒子１Ｈ、４Ｈｅの減速を行う。（炉内で荷電粒子の中和を行うことになる。中性化した粒子を回収する必要がある。）
初段の減速グリッドは、生成粒子の速度が光速の１７％と早いため、グリッド内の伝播が不均一となるので、集中定数の遅延回路を使用せずに、分布定数のグリッド６５ｆとしている。
【００４７】
生成粒子１Ｈ、４Ｈｅの衝突に伴い発生する回生減速器６５の熱は、遅延回路６５ｄの内部に設けた冷却パイプを通して取り出し、イオン回収路６８で回収し中和された気体の熱と合わせて、発電に使用する。
真空容器５５の内部に荷電粒子や電子が滞留しないように、恒常的または休止期間中に電位勾配を与えて、内部のクリーニングを行う。
【００４８】
図４は、荷電粒子のエネルギーレベルダイヤグラムである。
荷電粒子発生器６１で発生した荷電粒子２Ｈと３Ｈｅを、粒子加速器６２により、それぞれ、１６０ｋｅＶ、２４０ｋｅＶまで加速し、核融合炉の中心で衝突させて核融合反応を発生する。
核融合反応により水素原子核１Ｈ（陽子ｐ）が１４ＭｅＶ、ヘリウム原子核４Ｈｅ（アルファ粒子α）が３．５ＭｅＶのエネルギーを持って飛翔し、回生減速器６５によりエネルギーを失い減速することを表している。
【００４９】
図５は、荷電粒子ビーム衝突型核融合の荷電粒子の飛翔状況を表している。
縦軸は、核融合反応点を中心とする半径（ｍ）を示している。半径３と−３からゼロに向かう２本の直線は、２つの偏向器６４から中心に向かう燃料粒子２Ｈ、３Ｈｅの飛翔を、ゼロから半径６に向かう２本の破線は、未反応燃料粒子６８ｎを、２本の曲線は、核融合反応で生成した荷電粒子１Ｈ、４Ｈｅの全方向への飛翔及び回生減速器６５による減速の様子を示している。
横軸は、時間軸（μＳ）である。（偏向器６４の間隔が６ｍ、繰り返し周波数２，０００Ｈｚの場合である。）
【００５０】
核融合反応で発生した生成粒子の飛翔速度が異なるので、最初に水素原子核１Ｈ（ｐ）の集団が回生減速器６５に到達し、減速を受ける。次にヘリウム原子核４Ｈｅ（α）の集団が到達し、遅延回路６５ｄの遅延速度より遅い間は減速を行わず（むしろ加速する。）、遅延回路６５ｄの遅延時間が大きくなる領域で減速を受ける。
【００５１】
回生減速器６５の電気出力は、生成粒子１Ｈと４Ｈｅに対応するパルス電圧として、出力される。
未反応燃料粒子と燃料粒子が交差すると、不要な核融合反応を生じるので、交差しないようにする必要がある。（図５の飛翔状況であれば、交差していないが、パルス間隔を小さくすると交差することがあり得る。）
熱時定数が無いため、粒子加速器６２の駆動信号に対する発電出力の応答は、極めて高速である。
【００５２】
非特許文献１６、１７などに大気圧プラズマの簡易な発生方法が示されている。また、非特許文献２３にプラズマの加速方法が研究されているが、これらの方法では、間隔３，９１４ｍの荷電粒子を長さ３．９ｃｍのバンチ（時間間隔５００μＳ、パルス幅１０ｎＳ）に圧縮するには十分でない。（非特許文献２０、２１などに紹介されている研究用の高周波粒子加速器では可能と考えられる。）
【００５３】
図６（ａ）は、荷電粒子発生器６１と電界ピストン型粒子加速器６２ｔの説明図であり、回生減速器６５の電気出力を加速電圧として利用する方法を説明している。
外部から電力を供給するか、回生減速器６５の正と負のパルス出力を各々整流し、コンデンサに蓄える。
荷電粒子発生器６１で燃料ガスから荷電粒子２Ｈまたは３Ｈｅを発生し、粒子透過膜６１ｓを使用するなどして荷電粒子のみを透過することで、燃料気体（分子）の混入を阻止し、純度の高い荷電粒子を供給する。グリッド６１ａに負の電圧をかけて荷電粒子を誘導している。
【００５４】
電界ピストン型粒子加速器６２ｔは、石英やセラミックなどの丈夫な絶縁体でテーパー状に形成された容器の外側に複数の環状の電極を設け、内部に電気的に絶縁された複数の加速グリッド６２ａを設けている。
電界ピストン型粒子加速器６２ｔの電気的に絶縁された容器の内面に荷電粒子が帯電することにより、次第に荷電粒子が反発するようになるので、電界ピストン型粒子加速器６２ｔの内壁や加速グリッド６２ａに衝突しなくなる。
加速グリッド６２ａは、荷電粒子のエミッションを増加させないように、荷電粒子を正確に容器の先端に向けて加速するために設けている。容器の直径が小さい部分では、加速グリッド６２ａを省略している。
【００５５】
加速グリッド６２ａの各段の電極には、荷電粒子を低速から徐々に、かつ、エミッションを増加させずに効率よく加速する加速電圧が、遅延回路６２ｄから加えられる
任意の時刻に遅延回路６２ｄに両極性パルスを加えることで、単発の荷電粒子バンチを発生することができる。
（荷電粒子発生後は、遅延回路６２ｄをゼロボルトに戻し、荷電粒子発生器６１で発生した荷電粒子を電界ピストン型粒子加速器６２ｔの内部に蓄積する。）
【００５６】
荷電粒子のバンチを発生するには、スイッチ６２ｓを切り替えて、最初に遅延回路６２ｄに負電圧（−）を加え、次に正電圧（＋）を加える。遅延回路６２ｄに、最初に負、次に正の電圧が図の右方向に伝播する。
遅延回路６２ｄの各段から、電界ピストン型粒子加速器６２ｔの周囲に設けた電極及び加速グリッド６２ａに遅延した両極性パルスの電圧が現れる。帯電によるバイアスが加わってくるが、荷電粒子は、電極及び加速グリッド６２ａの負の電圧に引かれ、正の電圧に反発して加速する。
【００５７】
遅延回路６２ｄは、５００μＳの間隔で１０ｎＳのバンチを送出するため、進行方向に向けて順にインピーダンスが小さい素子を配置し、軸方向に荷電粒子を圧縮するための電圧の波形を発生している。
遅延回路６２ｄの各段は、ダイオードとスイッチを介して接続しており、パルス波形の上りと下り（電流の向き）で遅延時間が大きく異なる構成となっている。
先行する負のパルスより、後の正のパルスの立ち上がりの伝播速度の方が速く、荷電粒子のバンチを進行方向に圧縮しながら進むように構成している。
【００５８】
さらに、各段のスイッチＳ1からＳｎは、炭化シリコンなどの半導体のスイッチを使用して、前段の電圧が十分に高く（または低く）なった後に導通させることで、負から正へ（または正から負へ）の波形の立ち上がり（または立ち下り）を鋭くするため、一時的にインダクタンスとキャパシタンスの共振回路を構成し、共振波形の半サイクル（負または正のピークから、逆極性のピークまで。）で、電荷を無駄なく転送している。
図６（ｂ）に、バンチ送出時刻を０とする、加速電圧の波形を示す。全ての端子（ノード）を示すことが出来ないので、Ｎ０からＮ３、Ｎ１３及びＮ１４を示す。
【００５９】
スイッチＳ1からＳｎの開閉を、基準信号を用いて正確に行うことによって、重水素原子核２Ｈとヘリウム３原子核３Ｈｅの２つの電界ピストン型粒子加速器６２ｔ相互間の同期をとり、それぞれの荷電粒子のバンチを正確に同時に発射することができる。  
荷電粒子は、容器のテーパー形状に従い断面積を縮小しながら加速するとともに、軸方向にも圧縮し、荷電粒子のバンチを形成して所定の速度で打ち出される。
遅延回路６２ｄの出力（粒子の加速後に残った電力）は、図には示していないが、整流して再利用することができる。
電界ピストン型粒子加速器６２ｔは、遅延回路６２ｄと一体化して構成することができる。
【００６０】
表４  発電プラントの燃料消費量
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表４は、効率が１００％であるとして、電気出力２００ＭＷの発電プラントの燃料消費量を計算した。
核融合反応率が８０％、電気変換効率が８４％の合計６７％の効率であるとすると、１年間稼働するのに、重水素（２Ｈ、Ｄ）が、１１．５ｋｇ、ヘリウム３（３Ｈｅ）が、１７．３ｋｇの燃料が必要である。（未反応燃料の再利用、回収した熱による発電を含まない。）
重水素（２Ｈ、Ｄ）は、海水中に十分存在するが、ヘリウム３（３Ｈｅ）は、地球上に殆ど存在しない。非特許文献１１に示されるように、月や小惑星などに豊富に存在するとされ、採取は可能と考えられる。
【００６１】
また、燃料である二種類の荷電粒子２Ｈ及び３Ｈｅのイオン電流は、合計約３５Ａに達し、これを真空容器５５の中心の０．５μｍ以内に収束し、衝突させなければならない。
荷電粒子発生器６１及び粒子加速器６２をそれぞれ２台で１対を構成するが、１つのビーム衝突型核融合炉６０の真空容器５５に、異なる角度で複数の対を配置することができる。この場合、異なる対の間で目的外の核反応を起こさないため、燃料ビームの投入タイミングや位置を調整する必要がある。増力運用や予備として利用できる。
【００６２】
放射性物質の燃料を扱わない、唯一の核融合発電プラントである。如何なる過酷な事故が発生した場合でも、荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０の内部に放射性物質が存在していないので、放射能の飛散は皆無であり、安全である。
実際の核融合炉の構築に当たっては、高エネルギーの荷電粒子を取り扱うのであるから、目的外の原子核反応を生じないように設計しなければならない。
【００６３】
図７は、加熱型ジェットエンジン８１の実施例である。（実施例として、タービンエンジンを例示したが、ピストンエンジン、特許文献７の容積可変軸流ネジポンプなどの熱源に使用できる。）
図７（ａ）は、宇宙シャトル８０の正面図、（ｂ）は、上面図を示し、揚力の大きい複葉の三角翼を使用し、一般的な空港から水平に離陸して徐々に高度を上げ、成層圏を航行する航空機、または、地球周回軌道まで重量物を運ぶ宇宙シャトルとして利用することができる。
面積の大きな尾翼８３を有し、大気圏突入時の姿勢を安定化するとともに、減速を行うときに使用する。空気吸入口のエンジンフラップ８４は、大気の密度（高度）に合わせて開口状態を可変することができる。
【００６４】
図７（ｃ）は、エンジン縦断面図８１、（ｄ）は、エンジン横断面図、（ｅ）は、真空容器５５と熱交換室５７の部分拡大図、（ｆ）は、キャピラリー６３ｃとその周辺部の拡大図である。
加熱型ジェットエンジン８１は、荷電粒子ビーム衝突型核融合炉６０の熱を吸入した空気に与え、加熱空気の膨張力により後方に噴射して推力を得る。
高エネルギーの荷電粒子を大気中に放出すると、空気分子を電離するとともに、不要な核反応を生じてしまう恐れがある。また、核融合反応炉に空気が侵入すると、真空度が低下し、核融合反応が継続できない。
真空容器５５の断面形状を中空の星形とし、外側を熱交換室５７とし、壁面に対して小さな視斜角で核融合反応の生成粒子１Ｈ、４Ｈｅを衝突させて、運動エネルギーの一部を熱に変えるとともに、イオン回収路６８に導いている。
真空容器５５を星形の断面形状にして、中心部に生成粒子１Ｈ、４Ｈｅが戻ることがないようにしている。
【００６５】
真空容器５５の内面は、滑らかな表面のセラミックス等耐久性の高い絶縁材料で構成し、荷電粒子の照射を受け、正電荷に帯電し、荷電粒子を全反射する。生成粒子１Ｈ、４Ｈｅは、数回の反射で運動エネルギーを失いながらイオン回収路６８に達し、導電性の壁面から電子を奪って中和して、気体（１Ｈ、４Ｈｅ）として回収する。
真空容器５５の外側（熱交換室５７側）の壁は、高抵抗の電気導電性の材料を使用し、パルス状に飛来する生成粒子１Ｈ、４Ｈｅによる誘導電流を熱に変える。
【００６６】
加熱型ジェットエンジン８１では、燃料粒子２Ｈ、３Ｈｅの収束及び偏向に先端が１μｍまで細く加工されたキャピラリー６３ｃを使用している。
キャピラリー６３ｃは、図７（ｆ）に示すように、核融合反応の生成粒子１Ｈ、４Ｈｅの飛翔の影響を避けるために後退した十字形状の支持部を有し、キャピラリー６３ｃを頑固に支持するとともに、キャピラリー６３ｃの方向を微調整する機構を内蔵している。
熱交換室５７を通過する気流等により振動が発生するため、装置の振動による収束位置の変動が、衝突点のズレを引き起こし、核融合反応が途絶える原因となることが考えられる。衝突までの燃料荷電粒子の飛翔時間を厳密に同一にすることで、振動による影響を軽減することができる。
【００６７】
キャピラリーとは、特許文献６や非特許文献１８、１９などに示されるように、生物分野などで個別の細胞等に選択的に荷電粒子を照射するのに用いられており、ガラスパイプを熱して引き伸ばして切断し、一方の先端を細く加工したテーパー状の部品である。
キャピラリーの太い側から荷電粒子を加えると内面に帯電を生じ、キャピラリーの内壁面に対して微小角度で入射した荷電粒子が全反射するようになり、１０ＭｅＶを越える荷電粒子に対しても、容易に１μｍ以下（最小１００ｎｍ程度）にまで収束することができる旨、当該文献にも示されている。大電力の荷電粒子を扱うため、通過する粒子数がけた違いに多くなることから、キャピラリー６３ｃは耐久性のある石英やセラミック等の絶縁材料を使用する必要があると考えられる。
【００６８】
振動の影響を緩和するため、燃料荷電粒子の収束を１μｍ、６００Ｈｚの繰り返し周波数で粒子加速器６２を駆動し、荷電粒子ビームが周期１．６７ｍＳ、パルス幅が５０ｎＳであった場合、燃料粒子の速度が３，９１４ｋｍ／Ｓであるから、間隔６，５２４ｍ、長さ１９．６ｃｍのバンチを形成する。相対速度が７，８２８ｋｍ／Ｓで衝突するから、ほとんどの粒子が中央の約１０ｃｍの範囲内で衝突する。
【００６９】
バンチの後部には、未反応粒子が残る。対向するキャピラリーに達し、その内部を逆走し、内部に滞留する他方の燃料粒子と衝突する可能性がある。衝突のエネルギーが少なく、反応率は低いと見積もられるが、キャピラリー６３ｃ内部で核融合反応が発生すると、内側に大きな負荷がかかり、破損の原因となる。
【００７０】
図７（ｆ）の詳細図のとおり、燃料粒子のバンチを送出後、キャピラリー６３ｃの先端の脇に設けた電界型の偏向器６４ｅ（図７（ｆ）には、線状の断面形状になっているが、面状の電極４枚で構成される。）に電圧を加え、未反応燃料粒子６８ｎをキックして、イオン回収路６８を通して回収している。この偏向電界は、図６の電界ピストン型粒子加速器６２ｔを使用するときは、遅延回路６２ｄの余剰出力で駆動することができる。
また、キャピラリーの支持部には、図には示していないが、イオン回収路６８の他に冷媒用の循環路を設けている。
【００７１】
さらに、キャピラリー６３ｃの周囲に加速電極を設け、電界ピストン型粒子加速器６２ｔの延長として構成することもできる。（キャピラリー６３ｃまでを電界ピストン型粒子加速器６２ｔとして、装置の小型化に寄与することができる。）
電界型の偏向器６４に一定の電圧をかけて、燃料ビームに含まれる異原子核の軌道を僅か（燃料粒子ビームの幅程度）であるが、目的外の核反応を抑制するように構成することができる。    
さらに、粒子加速器６２、６２ｔによる加速度合いが異なり、バンチの先頭または後方に異原子核が集中する場合は、キャピラリー６３ｃの先端部に設けた電界型の偏向器６４にパルス状の電圧をかけて、キックして除去することができる。
【００７２】
真空容器５５内の回生減速器６５により、荷電粒子（生成粒子）の運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、電動機を駆動してタービン８６を回転させる。
エンジンフラップ８４を広げて外気を取り込み、タービン８６で圧縮し、熱交換室５７に送り込み、断面が星形の真空容器５５の壁面を通して加熱、膨張し、高速の気流として後方に噴射することで推力を得る。
【００７３】
大気が利用できない高度に達した後は、エンジンフラップ８４を閉じ、機内の空気タンクに蓄積した空気を換気口５６から熱交換室５７に供給し、大気圏外においても推力を維持することができる。
カーボン製等の軽量かつ高耐圧の空気タンクを翼８２の中に内蔵し、空気タンクの容量を確保するとともに、翼８２の強度を確保している。
【００７４】
帰還時は、エンジンの噴射により速度を十分に落とし、尾翼８３を立てた姿勢で突入し減速を行い、滑空して着陸地点に向かう。滑空中にエンジンフラップ８４を開き、換気口５６から取り入れた空気を（図には示していないが）タービン８６の回転で駆動する圧縮ポンプでさらに圧縮し、翼８２内の空気タンクに蓄積することで、位置エネルギーの一部を高圧空気として回収する。
加熱型ジェットエンジン８１は、翼内に蓄積した圧縮空気、または、電力でタービンを起動する。
【００７５】
図８は、噴射質量を変化した場合の、噴射速度（ｖ＝√（２・Ｅ／（ｍ・ｍｍ））と推力（Ｔ＝（ｍ・ｍｍ）・ｖ）の関係を示しており、図８の左軸上の質量倍率が１のときは、２００ＭＷの核融合反応生成物の荷電粒子のうち水素原子核１Ｈ（ｐ）を真空中に直接噴射することにより６．３Ｎの推力が得られることを示している。
（水素原子核１Ｈ（ｐ）の質量：１．６７×１０−２７、エネルギー：１４ＭｅＶ（５．１８×１０７ｍ／Ｓ））
【００７６】
直径５ｍのタービン２基の有効面積を約４０ｍ２、海面付近を２５０ｋｍ／ｈで飛行する場合、密度１．２５ｋｇ／ｍ３の大気を１秒間に２，７００ｍ３（３，３００ｋｇ）取り入れて、加熱して噴射する。２００ＭＷの核融合生成物である水素原子核１Ｈ（ｐ）の質量ｍは、０．１２ｍｇ／Ｓであるから、質量倍率ｍｍは、およそ２．５×１０１０となる。
ヘリウム原子核４Ｈｅ（α）についても６．３Ｎの推力があるが、質量倍率が４分の１と少ないので、計算には含めていない。（１．２５倍することで補正できる。）
【００７７】
図８より、推力Ｔ：１．００ＭＮ、噴射速度ｖ：３３０ｍ／Ｓ（約１，２００ｋｍ／ｈ）と大型航空機として十分な推力が得られる計算となる。（質量増加のプロセス（熱交換、タービンの効率等）を考慮していない。また、質量倍率が下がると、熱交換器の過熱を招くので、核融合のレートを下げて、出力を下げる必要がある。）
高度１０，０００ｍまでは、大気密度が下がった分、速度を上げることで、吸入空気量が増加するので質量倍率ｍｍを維持できると考えられる。さらに大気密度が低下する成層圏では、翼内の空気タンクに蓄積した圧縮空気を推進剤として使用することで推力を持続し、高度１６０ｋｍにおいて、秒速８ｋｍまで加速する。
【００７８】
図９は、荷電粒子・推進剤混合型エンジン９１の説明図である。
図９（ａ）は、宇宙機外観図で、貨物モジュール９５、エンジンモジュール９１、乗員モジュール９６、スカイクレーン９７からなる宇宙機９０である。国際宇宙ステーションで使用されるモジュール規格「共同結合機構ＣＢＭ」を使用して各モジュールを接続しており、着陸脚９４ｇの根元に取り付けたロボットハンド９４ｈを使って、自由に組み替えることができる。
【００７９】
図９（ｂ）は、エンジンの縦断面図、（ｃ）は、エンジンの横断面図で、６頂の十字星形多面体の容器が二重になっている。内側は、ビーム衝突型核融合炉６０の容器で、外側は、推進剤への熱交換室５７である。
図９（ｂ）のビーム衝突型核融合炉６０の中心部から、上下方向に飛翔した荷電粒子１Ｈ、４Ｈｅは、回生減速器６５により減速し及び電気エネルギーに変換している。（荷電粒子１Ｈ、４Ｈｅは、中和して回収するか、地球の大気を汚染する心配が無いので推進剤に混入してもよい。）
また、図には示していないが、キャピラリー６３ｃの先端に設けた電界型の偏向器６４ｅで、燃料粒子２Ｈ、３Ｈｅを送出後に未反応燃料６８ｎをキックして除去している。
【００８０】
定量供給ポンプ８９によりビーム衝突型核融合炉６０の上側と下側から供給された推進剤（空気５０ａ）は、熱交換室５７を巡って加熱し、二重になったノズルの外側から混合反応室５８の内部に噴射している。
推進剤の循環が不安定になるのを防ぐために、図には示されないが、ビーム衝突型核融合炉６０の十字星形の各腕を螺旋状に巡る経路を熱交換室５７の内部に形成している。
【００８１】
図９（ｂ）のビーム衝突型核融合炉６０の中心部から水平方向に飛翔した荷電粒子（生成粒子）１Ｈ、４Ｈｅは、二重になったノズルの内側から混合反応室５８内に噴射され、加熱された推進剤をさらに強く混合加熱を行い、ノズル９３から宇宙空間に噴射している。
図には示していないが、混合反応室５８及びノズル９３に、磁気容器を構成することもできる。
【００８２】
荷電粒子（生成粒子）１Ｈ、４Ｈｅは、混合反応室５８の内部で、壁面が導電性である場合は、電気的に中和されるが、必要に応じて中和器６９を作動させる。
核融合炉６０を起動し、炉壁の温度が十分に上がった後に推進剤を加える。推進剤は、二重のノズルの外側を強い方向性を持って通過するので、ベンチュリ効果により核融合炉６０の内部に流入しない形状としている。
【００８３】
「３Ｈｅ−３Ｈｅ」反応で発生するエネルギーは、「Ｄ−３Ｈｅ」反応より少なく、クーロン障壁が２倍以上と扱いにくいが、月や小惑星等でヘリウム３（３Ｈｅ）が容易に入手可能とされるので、単一の燃料としてヘリウム３（３Ｈｅ）のみを利用できるエンジンに高い利用価値がある。非特許文献１３によると、「３Ｈｅ−３Ｈｅ」核融合反応の反応断面積は、１ＭｅＶにおいて１０−２ｂａｒｎｓと「Ｄ−３Ｈｅ」の反応断面積より随分小さい。（１０ＭｅＶにおいて０．１ｂａｒｎｓ、３０ＭｅＶにおいて１．０ｂａｒｎｓに達するが、投入エネルギーが大きくなる。）
【００８４】
燃料粒子のヘリウム３原子核３Ｈｅビームを１μｍに収束させ、粒子加速器６２、６２ｔの駆動周波数を１０Ｈｚとし、荷電粒子バンチの周期を１００ｍｓ（間隔３９１ｋｍ）、パルス幅を２０ｎＳ（長さ７．８ｃｍ）とし、核融合反応を発生させるためには、燃料粒子３Ｈｅの密度を十分に高めることが必要である。
【００８５】
水素やヘリウムと比較して質量の大きな空気、水、その他の物質を推進剤として、混合反応室５８で生成粒子１Ｈ、４Ｈｅと直接混合して加熱することで、推進剤を効率的に膨張させて噴射し、推力を得ることができる。
紛体を推進剤として使用するときは、図には示していないが非特許文献７に示すようにミクロン単位に粉砕し、気体の推進剤とあらかじめ均質に混合した上で、混合反応室５８に投入することで、推進剤の質量を増加することができる。均質に混合しなければ、振動発生の原因となる。
【００８６】
有人宇宙船では、生活廃棄物を生じるが、乾燥して紛体にし、核融合炉の荷電粒子（生成粒子）と混合・加熱することで、原子レベルまで分解することができる。（有害な化学物質の分解等にも利用できる。）
廃棄物の処理が可能であるとともに、推進剤としても使用することができるので、推進剤の輸送質量を削減できるとともに、宇宙空間への廃棄物の投棄によるデブリを増やさずに済む。
【００８７】
宇宙機９０は、太陽系内の惑星・衛星間を航行するのに必要最低限の構成例である。
宇宙機の長軸を回転（回転半径１０ｍであれば１０ｒｐｍ程度）させて、遠心力による１Ｇ程度の重力を得ることができる。エンジンモジュール９１の下層に乗員モジュール９６を結合することで、着陸時及び軌道変更のための加速時における重力の方向と一致させることができる。
【００８８】
粒子遮蔽板９４ｓは、乗員モジュール９６から離れた太陽側に配置し、太陽電池の電力で磁力を発生し、太陽からの放射線の遮蔽を行う。
粒子遮蔽板９４ｓは、互いに逆方向に並べた２本のソレノイドコイルによって作られる閉じた磁力線により、太陽から飛来する荷電粒子（主に水素原子核１Ｈとヘリウム原子核４Ｈｅ）を外側に向けて穏やかに偏向することで、放射光や二次粒子の発生を抑えて、荷電粒子を遮蔽する。
自然冷却による超電導コイルを使用できる場合は、十分な強度の磁力を発生することができる。
着陸時には、可動アームに粒子遮蔽板９４ｓを装着し、太陽を自動追尾して荷電粒子を遮蔽する。
【００８９】
おおむね火星の重力（０.３５Ｇ）に対応する推力があれば、太陽系内の大気の少ない惑星や衛星に離着陸することができる。総質量３０トンの宇宙機に対して、２００ｋＮ程度の推力が必要である。
荷電粒子ビーム衝突型核融合エンジンの大きな比推力を利用することが出来るので、惑星間飛行に要する日数を大幅に短縮することが期待できる。
火星は、大気が薄いため、翼で滑空することはできないが、大気（主にＣＯ２）を取り込み、タンクに蓄積し、離陸のための推進剤として利用することができる。
【００９０】
荷電粒子・推進剤混合型エンジン９１とは独立した２００ｋＷ程度のビーム衝突型核融合炉６０、８８を備えることで、必要な電力を得る他、廃棄物の乾燥・粉砕処理や、サバティエ反応を利用した酸素や水の循環利用等が可能となり、乗員の生活を高いレベルに保つことができる。小さい電気出力の核融合炉を構築する場合、燃料粒子の収束を０．２５μｍ、繰り返し周期を１００ｍＳとするなどして、燃料粒子の密度を高めるとともに、反応断面積の大きい「Ｄ−３Ｈｅ」反応を採用する必要がある。
【００９１】
宇宙機９０は、有人機、貨物機共に遠隔操作が可能であり、自動着陸、自動航行の機能が必要である。５０年程度の耐久性が求められ、２機以上の同時航行を行うことで、事故発生時に最も迅速な対応を行うことができる。
軌道上で貨物モジュール９５をスカイクレーン９７に取り付けて降下し、着地と同時に切り離すことで、貨物モジュールの迅速な降下運搬を行うことができる。
スカイクレーンのワイヤーを、姿勢制御モジュールにかけて牽引することで、人口重力によるモジュールの負荷を軽減し、補強することができる。
【００９２】
図１０は、太陽系外を航行する外宇宙探査機の説明図である。
（ａ）は正面図（地球に向けている面）、（ｂ）は、上面図である。（ｃ）は、エンジンの断面図である。
オフセットパラボラの形状の電波反射板９９ｒの焦点と、電波反射板９９ｒと燃料タンク５２、５３とを含めた重心が一致しており、燃料の消費に伴う重心の位置変化が発生しないように構成されている。
外宇宙探査機９０のエンジンは、荷電粒子加速器６２、６２ｔを内蔵する軸を中心に、重心を共有し回転可能に取り付けられ、噴射方向を変えることができる。
外宇宙探査機９０は、太陽の周りを螺旋状に回りながら航行するので、地球に向ける角度（電波を送る方向）とエンジンの噴射方向とが異なっている。
【００９３】
ビーム衝突型核融合炉６０の一部を開放し、荷電粒子を直接宇宙空間に放出することで推力を得る。あらゆる方向に飛翔する高エネルギーの荷電粒子１Ｈ、４Ｈｅを一方向に偏向するため、生成粒子反射板９８ｒ、生成粒子偏向器９８ｄを使用している他、回生減速器６５と再加速器６７ｒを組み合わせて、減速した荷電粒子１Ｈ、４Ｈｅを目的の方向に再度加速して噴射している。宇宙空間に存在する粒子を、後方に向けて加速する方法も考えられる。  
燃料は、「３Ｈｅ−３Ｈｅ」反応では、発生するエネルギーが小さいため、「Ｄ−３Ｈｅ」を使用する。「Ｄ−３Ｈｅ」の核融合反応では、水素原子核１Ｈ（ｐ）のエネルギーが１４ＭｅＶ（光速の約１７％）であるので、外宇宙探査機９０自体を光速の１０％程度まで加速できる可能性がある。
【００９４】
表５は、４光年の距離の無線回線設計である。
１００メガワットの電波送信機を駆動することを考える。
送信周波数は、１ＧＨｚから５０ＧＨｚが適当と考えられる。
距離３．７７６×１０１６mに対する自由空間損失が３６４ｄBと圧倒的に大きいが、Ｐｒ＞Ｐｒｎであるから、巨大なアンテナとヘリウム冷却低雑音受信機を使用して、６ｋＨｚの帯域の信号を受信することができる計算になる。
表５  回線設計
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【００９５】
太陽系外を航行する宇宙探査機であるので、莫大な量の燃料を消費することになるが、大きな比推力を生かして、不断の加速を行うことによって、光速の１０％前後まで加速する価値は大きい。
最も近い恒星であるアルファケンタウリまでの距離は、４．２光年であるから、螺旋状に航行すること等を考慮すると、光速の１０％の速度を得たとしても、電波で探査結果が地球に届くまでに、打ち上げから５０年以上を要する計算になる。
２００ＭＷのビーム衝突型核融合炉６０が５０年間連続稼働するのに必要な重水素（２Ｈ、Ｄ）とヘリウム３（３Ｈｅ）燃料の合計重量は、９６０ｋｇを超えることになる。
遠隔操縦が不可能であるから、自律的な探査能力を与える必要がある。
【００９６】
地球上に十分な量の燃料となるヘリウム３（３Ｈｅ）が存在していないことから、放射性物質を含まない核融合の実現は、極めて困難なものになっている。
「Ｄ−Ｄ」反応や「Ｄ−Ｔ」反応は、放射性物質を含む核融合であることから、実施例として例示しなかったが、本発明の荷電粒子ビーム衝突型核融合装置は、これらの核融合反応についても取り扱うことができる。
核融合における問題点を再度整理する。
１点目は、中性子の生成であり、炉壁の脆化・放射化、人体への影響などが考えられるが、核分裂炉の技術で、対処可能であり、炉が停止すれば中性子の影響は無くなる。
２点目は、三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）の生成であり、漏えいによる周辺への影響が深刻な問題であることは、最初に述べたとおりである。
【００９７】
この問題を解決する提案を実施例として、ここに追加する。
解決方法は、三重素３Ｈ（トリチウムＴ）を蓄積しないことである。２つの炉を用意し、「Ｄ−Ｄ」反応で生成した三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）を直ちに「Ｄ−Ｔ」反応を行って消費することで、放射性物質の存在量を微量に限定することができる。
表６は、非特許参考文献６の図２．２を参考に、各反応毎の最適な衝突エネルギーと反応断面積を他の反応の反応断面積を一覧にしたものである。
表６  核融合反応の反応断面積
2016109658.tif 000027
表７に、水素原子核１Ｈ（陽子、プロトンｐ）を含む核反応の一部を一覧にした。核融合生成物を精製せずに核融合反応を継続した場合、陽電子ｅ＋、ガンマー線γ、ニュートリノνｅなどが発生するが、荷電粒子ビーム衝突型核融合炉で有効なエネルギーとして取り出すことが困難である。
表７  水素原子核１Ｈ（陽子、プロトンｐ）を含む核反応
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【００９８】
図１１は、１つの炉に異なる角度で３対の「荷電粒子ビーム発生器」を構成した実施例である。
図の左側は、全て重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）を燃料とし、右側は、上から順に重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）、三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）、ヘリウム３原子核３Ｈｅを燃料とする。
１つ目の「Ｄ−Ｄ」と「Ｄ」の記号を付した「荷電粒子ビーム発生器」の対で「Ｄ−Ｄ」反応を行うが、１．４ＭｅＶを必要とし、０．２ｂａｒｎｓと反応断面積が小さい。最初の核融合反応であるから不純物が混入も無いが、二種類の核融合反応が同時に発生し、４種類の粒子（ｐ、ｎ、Ｔ、３Ｈｅ）が飛翔する。（中性子ｎは、電荷を持たず透過力が強く、熱交換室５７の中性子減速材（水）１０により減速、吸収され、イオン回収路６８では回収されない。）
２つ目の「Ｄ−Ｔ」と「Ｔ」の記号を付した「荷電粒子ビーム発生器」の対で「Ｄ−Ｔ」反応を行う。
３つ目の「Ｄ−３Ｈｅ」と「３Ｈｅ」の記号を付した「荷電粒子ビーム発生器」の対で「Ｄ−３Ｈｅ」反応を行う。
中性子ｎは、電気エネルギーとして回収できないため、熱として回収するエネルギーが増加する。真空容器の外側に減速材（水）１０を満たした熱交換室５７を設け、中性子の遮蔽と冷却を行う。
【００９９】
イオン回収路６８及び未反応粒子６８ｎ回収路から、荷電粒子１Ｈ（ｐ）、２Ｈ（Ｄ）、３Ｈ（Ｔ）、３Ｈｅ及び４Ｈｅ（Ｄ−Ｄ反応以外の反応で生成する。）を回収する。回収した荷電粒子を粒子加速器６２、６２ｔにより１０ｋｅＶ程度まで加速して、電荷質量比の違いを利用して、電荷質量分離器６４ｘ（磁気スペクトロメータ）により１Ｈ（ｐ）、３Ｈ（Ｔ）、２Ｈ（Ｄ）、４Ｈｅ（α）、３Ｈｅの順に分離する。三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）を６０ｋｅＶまで加速し、４０ｋｅＶに加速した重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）と核融合反応を行い、三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）を直ちに消費する。
【０１００】
「Ｄ―Ｔ」反応の反応断面積が、５ｂａｒｎｓであるのに対して、「Ｄ−Ｄ」及び「Ｄ−３Ｈｅ」反応の反応断面積は、０．０３ｂａｒｎｓと小さく、ほぼ「Ｄ―Ｔ」反応のみを発生する。三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）は、常時ヘリウム３原子核３Ｈｅに崩壊し続けているので、炉内の偏向器６４による電荷質量比による分離も効果がある。
分離する距離は、ビームの直径が１μｍ前後であるから、ビームの広がり方にもよるが、１０μｍ程度で十分な反応抑制の効果が期待でき、反応断面積の相違と合わせれば、目的外の核反応を大きく抑制することができる。
【０１０１】
偏向器６４で分離された水素原子核１Ｈ（ｐ）、重水素原子核２Ｈ（Ｄ）、ヘリウム３原子核３Ｈｅ及びヘリウム原子核４Ｈｅ（α）は、それぞれ中和してタンクに蓄積する。ヘリウム原子核４Ｈｅ（アルファ粒子α）と重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）は、電荷質量比がほぼ同じであるから、分離することが困難である。（化学反応により分離できる。）
「Ｄ−３Ｈｅ」と「３Ｈｅ」の記号を付した「荷電粒子ビーム発生器」の対で「Ｄ−３Ｈｅ」反応を行うが、４００ｋｅＶ（２Ｈ：１６０ｋｅＶ、３Ｈ：２４０ｋｅＶ）で衝突することで、「Ｄ−３Ｈｅ」反応は、１ｂａｒｎｓ、「Ｄ―Ｔ」反応は、０．８ｂａｒｎｓ、「Ｄ−Ｄ」反応は、０．１３ｂａｒｎｓであるので、分離できずに残った不純物の影響が若干減少する。
なお、分離せずに回収した粒子を燃料として使用する場合は、副反応が複雑になること、反応に寄与しない粒子を加速するために余分なエネルギーを要すること、様々なエネルギーの粒子が同時に飛翔し回生減速器６５の設計が困難になる可能性がある。
【０１０２】
図１２（ａ）は、「Ｄ−Ｄ」反応と「Ｄ−Ｔ」反応のみを経常的に利用する構成の核融合炉の実施例である。
キャピラリー６３ｃは、経路を緩やかに曲げることができることから、右側のＤとＴのキャピラリー６３ｃを近接して配置している。対向するＤの「荷電粒子ビーム発生器」は、１組のみとしている。
キャピラリー６３ｃ先端の偏向器６４または支持部の駆動機構により、荷電粒子ビームの方向を瞬時に切り替え、それぞれに対応する速度（「Ｄ−Ｄ」反応では、７００ｋｅＶ、「Ｄ−Ｔ」反応では、４０〜６０ｋｅＶ。）で荷電粒子２Ｈ（Ｄ）を打ち出す。
３２個（切頂二十面体の形状に組み立てる場合）の回生減速器６５に付属するイオン回収路６８及び２カ所の未反応燃料回収路から、核反応で生成した荷電粒子及び未反応燃料６８ｎ（１Ｈ（ｐ）、２Ｈ（Ｄ）、３Ｈ（Ｔ）、３Ｈｅ及び４Ｈｅ（α））を中和せずに、イオン回収チューブ６８ｔを経由して回収し、再度加速して電荷質量比の違いから粒子を分別し、三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）を１秒以内に消費するシステムを構成している。
図１２（ｃ）に、イオン回収チューブ６８ｔの構成を示す。図６の電界ピストン型粒子加速器６２ｔを太さが一定の筒状にしたもので、外側に荷電粒子を誘導する電極を設け、３つの相（φ０、φ１及びφ２）からなるプラスまたはマイナスの高電圧を一定の周期で順次加えることで、荷電粒子を移送する。
イオン回収チューブ６８ｔは、３２カ所のイオン回収路６８に一筆書き状に接続して生成粒子を回収し、パルス状の生成粒子を平均化して電荷質量分離器６４ｘに送っている。
【０１０３】
「Ｄ−Ｄ」反応と「Ｄ−Ｔ」反応では、中性子ｎが多くのエネルギーを持って飛翔するので、直接電気として取り出せるエネルギーは最大で３２．４％までであり、熱出力が６７．６％以上を占める。同一の出力の場合、真空容器５５の直径を３０％程度小さくすることができる。荷電粒子ビーム型核融合炉６０を取り囲む熱交換室５７内に減速材（水）１０を満たし、中性子ｎの減速及び熱変換を行う。
図１２（ｂ）に、水１０による中性子ｎの遮蔽と熱変換、並びに、熱駆動ポンプ６６（特許文献７）及び発電機８８による熱−電気変換器）を、多面体（正五角形１２面、正六角形２０面）を構成する３２個のユニットで構成した例を示す。各ユニットは、保守のため任意のユニットを取り外すことができる形状に作られているとともに、異なる角度のかみ合わせとなっており、直線的に進んだ中性子が間隙から漏れない構造としている。
図１２（ｄ）に「Ｄ−Ｄ」反応、（ｅ）に「Ｄ−Ｔ」反応による粒子飛翔図を示す。（未反応粒子６８ｎの軌跡は、省略した。）
荷電粒子１Ｈ、２Ｈ、３Ｈ、３Ｈｅ及び４Ｈｅは、回生減速器６５で、中性子ｎは、回生減速器６５を透過し、中性子減速材（水）１０で減速している。安全のため、及び、中性子減速材（水）１０、中性子反射材（鉛など）１９を透過した中性子ｎを遮蔽するため、さらに外側にコンクリート壁が必要である。
【０１０４】
運転中、三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）は、真空容器５５、イオン回収路６８、６８ｔ、並びに、Ｔの記号を付した粒子加速器６２、６２ｔ、電荷質量分離器６４ｘ及びキャピラリー６３ｃの内部に分散して存在している。１時間に１．０ｇの燃料を消費する炉の場合、三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）の生成量は、１秒間に約０．１ｍｇと見積もられる。（トリチウムＴの循環に１秒を要するとした場合。１００ｍＳで一巡する場合は、さらに少なく０．０１ｍｇになる。）
緊急停止時を含めて、炉内の三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）を可能な限り消費してから停止する仕組みとすることによって、停止時の残存量は、０．１μｇ（３．６×１０７Ｂｑ）前後まで削減することができると期待される。（「Ｄ−Ｔ」反応の繰り返し周期を１，０００Ｈｚとした場合）
さらに、重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）の粒子を多くすることにより、三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）の反応率を９９．９９％以上に高めることが出来るから、残存量は、０．０１ｎｇ（３．６×１０３Ｂｑ）以下に削減することができる。この処理を繰り返すことで、三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）を完全に消滅することができる。（重水素原子核２Ｈ（デューテリウムＤ）の未反応燃料粒子が多く残る。）
地震検知等により三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）の消滅運転を行った後は、「Ｄ−３Ｈｅ」反応に切り替えて運転を継続することで、電力の供給を維持することが出来る。
【０１０５】
三重水素原子核３Ｈ（トリチウムＴ）の残存量を限定することができたが、やはり大変危険な物質であることに変わりはない。将来、「荷電粒子ビーム衝突型核融合炉」が、小電力化・小型化することで一般利用が拡大する可能性があり、普及に比例して三重水素（３Ｈ、トリチウムＴ）の漏えい事故も増加すると考えられる。また、移動体の事故率は圧倒的に高いから、移動体や一般利用向けには、「Ｄ−３Ｈｅ」反応炉が望ましい。
「Ｄ−Ｄ」反応炉は、三重水素（３Ｈ、トリチウムＴ）を生成すること、中性子ｎを遮蔽するため及び熱を処理するため大型化することもあり、少数の組織的な管理体制下での利用に限定して、発電するとともにヘリウム３（３Ｈｅ）を生産する使い方が、１つの解決方法である。
「Ｄ−３Ｈｅ」反応炉が普及することで、月や小惑星などからヘリウム３（３Ｈｅ）を調達する原動力にもなると考えられる。
ヘリウム３（３Ｈｅ）が月や小惑星などから調達されるようになった後は、「Ｄ−Ｄ」反応炉を廃炉にすることが望ましい。
三重水素（３Ｈ、トリチウムＴ）を含む核融合炉は、核分裂炉と同様の管理体制が必要と考えられる。
また、あらゆる荷電粒子ビーム衝突型核融合炉が兵器や武器に使用されないことを望むものである。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
放射能を出さない純粋な核融合反応による核融合発電装置、宇宙機、航空機、船舶、車両等の推進装置を提供することができる。微量の放射性物質を伴うが、安価な重水素燃料による核融合発電装置を提供できる。高エネルギーの荷電粒子による廃棄物処理などにも活用できる。
【符号の説明】
【０１０７】
１Ｈ  水素原子核（陽子、プロトン粒子ｐ）  １０  減速材（水）  １９  反射材（鉛）
２Ｈ  重水素原子核（デューテリウムＤ）    ３２  多面体（切頂二十面体）
３Ｈ  三重水素原子核（トリチウムＴ）      ３Ｈｅ  ヘリウム３原子核    
４Ｈｅ  ヘリウム原子核（アルファ粒子α）
５０  推進剤  ５０ａ  空気  ５０ｂ  粉体  ５１  タンク  ５１ａ  空気タンク
５１  水素ガス  ５２  重水素ガス  ５３  ヘリウム３ガス  ５４  ヘリウムガス
５５  真空容器    ５６  換気口    ５７  熱交換室    ５８  混合反応室  
６０  荷電粒子ビーム衝突型核融合炉  ６１  荷電粒子発生器  ６１ａ  加速グリッド
６２  粒子加速器  ６２ａ  加速グリッド  ６２ｄ  遅延回路  ６２ｓ  スイッチ  
６２ｔ  電界ピストン型粒子加速器  ６３  電子レンズ  ６３ｃ  キャピラリー  
６４  偏向器  ６４ｅ  電界型偏向器  ６４ｍ  磁気偏向器  ６４ｘ  電荷質量分離器
６５  回生減速器  ６５ｂ  減速グリッド  ６５ｄ  遅延回路  ６５ｆ  初段のグリッド
６６  熱駆動ポンプ  ６７  グリッド  ６７ａ  加速グリッド  ６７ｒ  再加速器
６８  イオン回収路  ６８ｎ  未反応燃料  ６８ｔ  イオン回収チューブ
６９  中和器（電子発生器）
【０１０８】
８０  航空機・宇宙シャトル  ８１  加熱型原子力ジェットエンジン  ８２  翼
８３  尾翼    ８４  エンジンフラップ    ８５  貨物室    ８６  タービン  
８７  電動機    ８８  発電機    ８９  定量供給ポンプ    
９０  宇宙機  ９１  荷電粒子・推進剤混合型エンジン（エンジンモジュール）
９２  姿勢制御モジュール    ９３  噴射ノズル
９４ｇ  着陸脚    ９４ｈ  ロボットアーム    ９４ｓ  粒子遮蔽板
９５  貨物モジュール  ９６  乗員モジュール  ９７  スカイクレーン・車両（内蔵）
９８ｄ  生成粒子偏向器    ９８ｒ  生成粒子反射板
９９ｒ  電波反射板    ９９ａ  アンテナ