(57)【要約】【課題】簡易な構成により核融合中性子発生装置における核融合反応率を向上させる。【解決手段】実施形態によれば、核融合中性子発生装置１００は、密閉容器である真空容器１と、真空容器１の中心近傍に設けられて流体が透過可能な陰極１０と、真空容器１内の陰極１０の外側に設けられて真空容器１内の陰極１０の外側の空間を加速領域とイオン生成領域とに区分し真空容器１内の流体が透過可能な中間電極２０と、真空容器１を接地電位、陰極１０に負電位、中間電極２０に負または正の電位を生じさせる電圧印加部４０と、イオン生成領域の一部に局所的な電界を生じさせる局所電界発生部８０と、燃料ガス供給部５０とを有する。【選択図】図１
2017003362.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスをイオン化し核融合反応によって中性子を発生させる核融合中性子発生装置であって、
大気圧より低い状態で用いられる密閉容器である真空容器と、
前記真空容器の中心近傍に前記真空容器とは電気的に絶縁されるように設けられて内部に空間が形成され前記真空容器内の流体が透過可能な陰極と、
前記真空容器内の前記陰極の外側に前記真空容器および前記陰極とは電気的に絶縁されるように設けられて前記真空容器内の前記陰極の外側の空間を内側の加速領域と外側のイオン生成領域とに区分し前記真空容器内の流体が透過可能な中間電極と、
前記真空容器を接地電位とし、前記陰極に負電位、前記中間電極に負または正の電位を生じさせる電圧印加部と、
前記イオン生成領域の一部に局所的な電界を生じさせる局所電界発生部と、
前記燃料ガスを前記真空容器内に供給する燃料ガス供給部と、
を備えることを特徴とする核融合中性子発生装置。
【請求項２】
前記真空容器内に前記真空容器、前記中間電極および前記陰極とは電気的に絶縁されるように設けられて前記中間電極と前記陰極との間の空間をさらに内側領域と外側領域とに区分し前記真空容器内の流体が透過可能な少なくとも一つの調整電極をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の核融合中性子発生装置。
【請求項３】
前記局所電界発生部は、前記中間電極に取り付けられ前記中間電極と電気的に結合して前記中間電極から前記真空容器側に突出した複数の突起部を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の核融合中性子発生装置。
【請求項４】
前記局所電界発生部は、前記イオン生成領域に光照射可能な光入射装置を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の核融合中性子発生装置。
【請求項５】
前記光入射装置は、レーザ装置であることを特徴とする請求項４に記載の核融合中性子発生装置。
【請求項６】
前記電圧印加部は、前記中間電極に、周期的に変化する電位を印加可能であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の核融合中性子発生装置。
【請求項７】
前記燃料ガス供給部は、
前記イオン生成領域に前記燃料ガスをパルス状に供給可能なパルスバルブと、
前記パルスバルブによる前記燃料ガスの放出時点と前記電圧印加部が電圧を印加する時点とを調整するタイミング調節器と、
を有することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の核融合中性子発生装置。
【請求項８】
前記燃料ガス供給部は、前記燃料ガスに、前記燃料ガスよりもイオン化ポテンシャルの低いガスを混合したガスを供給することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の核融合中性子発生装置。
【請求項９】
供給された燃料ガスをイオン化し核融合反応によって中性子を発生させる核融合中性子発生方法であって、
陽極である真空容器の電位をゼロ、陰極の電位を負の状態とする初期設定ステップと、
中間電極電圧印加部が中間電極に正の電位を与える中間電極正電圧発生ステップと、
次に中間電極電圧印加部が中間電極に負の電位を与える中間電極負電圧発生ステップと、
中性子発生の終了の有無を判定し、終了でなければ前記中間電極正電圧発生ステップ以下を繰り返すことを特徴とする核融合中性子発生方法。
【請求項１０】
供給された燃料ガスをイオン化し核融合反応によって中性子を発生させる核融合中性子発生方法であって、
陽極である真空容器、陰極、および中間電極の電位を、ゼロの状態とする初期設定ステップと、
タイミング調節器が、パルスバルブに所定の時間、開指令を出力するパルスバルブ開ステップと、
タイミング調節器が、中間電極電圧印加部に、中間電極に所定時間の間、負電位を与えるよう指令を出力する中間電極電圧発生ステップと、
タイミング調節器が、陰極電圧印加部に、陰極に所定時間の間、負電位を与えるよう指令を出力する陰極電圧発生ステップと、
中性子発生の終了の有無を判定し、終了でなければ前記パルスバルブ開ステップ以下を繰り返すことを特徴とする核融合中性子発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、核融合により中性子を発生する装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、核融合中性子発生装置においては、慣性静電閉じ込め式核融合を用いた装置が知られている。慣性静電閉じ込め式核融合反応を用いた装置は、通常、陽極を兼ねる球形状の真空容器の中心に、同心球に格子状の陰極を配置した構造である。この真空容器内に重水素等の燃料ガスを充填し、陽極と陰極との間に数ｋＶから１００ｋＶ程度の高電圧を印可することにより、放電によって重水素イオン等が発生する。
【０００３】
発生したイオンは電極間の電場によって中心に向かって加速収束される。陰極が格子状になっており、大部分のイオンは陰極に衝突せず陰極内部に到達し、陰極内部から外側に飛び出し、電場によって再び中心に向かって加速収束される。球中心部で高密度となったイオンが相互に衝突したり、燃料ガスと衝突したり、あるいは陰極や陽極に埋め込まれた燃料ガスの粒子に衝突することにより核融合反応が発生し、中性子や荷電粒子が生成される。
【０００４】
また、陽極と陰極を円筒形状にし、同軸上に配置した装置もある。核融合中性子発生装置で得られる中性子や荷電粒子は、核物質探知、火薬探知、非破壊検査、核変換、アイソトープ生成、中性子捕獲療法等への応用が期待されており、核融合反応率の向上が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３８６７９７２号公報
【特許文献２】特許第３７００４９６号公報
【特許文献３】特開２００４−３１１５２号公報
【特許文献４】特開２００８−２００９４号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】吉川潔，山本靖，増田開，督寿之，高松輝久，堀田栄喜，山内邦仁，大西正視，大沢穂高，代谷誠治，三澤毅，高橋佳之，多幾山憲，久保美和：”慣性静電閉じ込め核融合研究の現状”, J. Plasma Fusion Res. Vol.83, No.10, pp.795−811 (2007).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した従来の核融合中性子発生装置においては、イオン生成領域とイオンの加速領域が重なっているため、イオンの密度、エネルギーが制約され、核融合の反応率が低いという課題があった。
【０００８】
またイオンの生成領域とイオンの加速領域との間に壁等を設けて、差動排気を行うことによりイオンの生成領域と加速領域を分離する方法や、真空容器の外側にＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｓｅ、電子サイクロトロン共鳴）やＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ、高周波）、ヘリコン波等を利用した外部イオン源（イオン生成領域）を設けて、イオンの加速領域と分離する方法等が提案されているが、いずれも装置の構成が複雑化し、装置が大型になってしまうといった課題があった。
【０００９】
本発明の実施形態は上述した課題を解決するためになされたものであり、簡易な構成により核融合中性子発生装置における核融合反応率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の目的を達成するため、本実施形態は、燃料ガスをイオン化し核融合反応によって中性子を発生させる核融合中性子発生装置であって、大気圧より低い状態で用いられる密閉容器である真空容器と、前記真空容器の中心近傍に前記真空容器とは電気的に絶縁されるように設けられて内部に空間が形成され前記真空容器内の流体が透過可能な陰極と、前記真空容器内の前記陰極の外側に前記真空容器および前記陰極とは電気的に絶縁されるように設けられて前記真空容器内の前記陰極の外側の空間を内側の加速領域と外側のイオン生成領域とに区分し前記真空容器内の流体が透過可能な中間電極と、前記真空容器を接地電位とし、前記陰極に負電位、前記中間電極に負または正の電位を生じさせる電圧印加部と、前記イオン生成領域の一部に局所的な電界を生じさせる局所電界発生部と、前記燃料ガスを前記真空容器内に供給する燃料ガス供給部と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、本実施形態は、供給された燃料ガスをイオン化し核融合反応によって中性子を発生させる核融合中性子発生方法であって、陽極である真空容器の電位をゼロ、陰極の電位を負の状態とする初期設定ステップと、中間電極電圧印加部が中間電極に正の電位を与える中間電極正電圧発生ステップと、次に中間電極電圧印加部が中間電極に負の電位を与える中間電極負電圧発生ステップと、中性子発生の終了の有無を判定し、終了でなければ前記中間電極正電圧発生ステップ以下を繰り返すことを特徴とする。
【００１２】
また、本実施形態は、供給された燃料ガスをイオン化し核融合反応によって中性子を発生させる核融合中性子発生方法であって、陽極である真空容器、陰極、および中間電極の電位を、ゼロの状態とする初期設定ステップと、タイミング調節器が、パルスバルブに所定の時間、開指令を出力するパルスバルブ開ステップと、タイミング調節器が、中間電極電圧印加部に、中間電極に所定時間の間、負電位を与えるよう指令を出力する中間電極電圧発生ステップと、タイミング調節器が、陰極電圧印加部に、陰極に所定時間の間、負電位を与えるよう指令を出力する陰極電圧発生ステップと、中性子発生の終了の有無を判定し、終了でなければ前記パルスバルブ開ステップ以下を繰り返すことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の実施形態によれば、簡易な構成により核融合中性子発生装置における核融合反応率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態に係る核融合中性子発生装置の構成を示す縦断面図である。
【図２】図１のII−II線矢視横断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る核融合中性子発生装置内の径方向の電位分布を示すグラフである。
【図４】イオンの陰極付近での振る舞いを概念的に示す図である。
【図５】第２の実施形態に係る核融合中性子発生装置の構成を示す縦断面図である。
【図６】第２の実施形態に係る核融合中性子発生装置の径方向の電位分布を示すグラフである。
【図７】第３の実施形態に係る核融合中性子発生装置内の中間電極の電位の時間的変化を示すグラフである。
【図８】第３の実施形態に係る核融合中性子発生装置内の径方向の電位分布を示すグラフである。
【図９】第３の実施形態に係る核融合中性子発生装置内の径方向の電位分布の変形例を示すグラフである。
【図１０】第３の実施形態に係る核融合中性子発生方法の手順を示すフロー図である。
【図１１】第４の実施形態に係る核融合中性子発生装置の構成を示す縦断面図である。
【図１２】第４の実施形態に係る核融合中性子発生方法の手順を示すフロー図である。
【図１３】第４の実施形態に係る核融合中性子発生装置におけるパルス動作装置のタイミングチャートと付随反応プロセスの概念的時間変化を示すグラフであり、（ａ）は放電領域での導入燃料ガス量の時間変化、（ｂ）は中間電極電位の時間変化、（ｃ）は陰極電位の時間変化、（ｄ）は加速領域でのイオン量の時間変化を示す。
【図１４】第５の実施形態に係る核融合中性子発生装置の構成を示す縦断面図である。
【図１５】第５の実施形態に係る核融合中性子発生装置での発光強度および放出された燃料ガス量の時間変化を示すグラフであり、（ａ）はブレイクダウンプラズマの一般的な発光特性、（ｂ）は放出された燃料ガス量の時間変化を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る核融合中性子発生装置について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【００１６】
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る核融合中性子発生装置１００の構成を示す縦断面図である。また、図２は、図１のII−II線矢視横断面図である。核融合中性子発生装置１００は、真空容器１とその内部の構成要素、電圧印加部４０、燃料ガス供給部５０およびガス圧調整部５２を有する。
【００１７】
真空容器１は、円筒状の密閉容器であり、大気圧より低い状態で用いられる。真空容器１の材料は、たとえば、ステンレス鋼、チタンあるいはアルミニウムなどの導電性の物質である。真空容器１の内部には、陰極１０および中間電極２０が設けられている。
【００１８】
陰極１０は、円筒状であり、真空容器１と同軸になるように設けられている。陰極１０の材料は導電性である。陰極の幾何学的透過率は、たとえば９５％などと９０％以上であることが望ましい。このため、陰極１０は、図１および図２に示すように、複数本の陰極ロッド１０ａが円周上に配されたかご状である。なお、幾何学的透過率を確保するためには、かご状であることには限定されない。たとえば、網状、あるいは、多孔板の円筒などであってもよい。
【００１９】
陰極１０は、陰極支持部１１により支持されている。陰極支持部１１は、真空容器１に取り付けられ真空容器１に支持されている。陰極支持部１１は、たとえばアルミナなどの絶縁材料製であり、陰極１０と真空容器１間を電気的に絶縁している。陰極支持部１１の内外に導電性の高電圧導入端子１２が貫通しており、陰極１０と電気的に接続している。陰極支持部１１と真空容器１の間、および陰極支持部１１と高電圧導入端子１２の間は、気密になっている。
【００２０】
中間電極２０は、真空容器１内の陰極１０の外側の空間に、真空容器１と同軸となるように設けられている。中間電極２０の材料は導電性である。中間電極２０の幾何学的透過率は、たとえば９５％などと９０％以上であることが望ましい。このため、中間電極２０は、図１および図２に示すように、多孔板の円筒形状である。なお、幾何学的透過率を確保するためには、多孔板であることには限定されない。たとえば、かご状、あるいは網状などであってもよい。中間電極２０が設けられていることにより、真空容器１内の陰極１０の外側の空間は、中間電極２０より外側のイオン生成領域１ａと、中間電極２０より中心側の加速領域１ｂとに区分される。
【００２１】
中間電極２０は、中間電極支持部２１により支持されている。中間電極支持部２１は、真空容器１に取り付けられ真空容器１に支持されている。中間電極支持部２１は、たとえばアルミナなどの絶縁材料製であり、中間電極２０と真空容器１間を電気的に絶縁している。中間電極支持部２１の内外に導電性の高電圧導入端子２２が貫通しており、中間電極２０と電気的に接続している。中間電極支持部２１と真空容器１間、および中間電極支持部２１と高電圧導入端子２２間は、気密になっている。
【００２２】
中間電極２０には、局所電界発生部８０として複数の突起部６０が取り付けられている。突起部６０は、中間電極２０から径方向外側に向かう方向に突起するように設けられている。突起部６０は、導電性であり、突起部６０の電位は中間電極２０の電位と同レベルである。突起部６０の材料としては、たとえば、タングステン、チタンあるいはタンタルなど、銅やアルミニウムあるいは鉄などより比較的融点の高い材料を用いる。
【００２３】
突起部６０の形状としては、たとえば、針状あるいは、円錐台形状などである。ただし、局所電界が大きくなりすぎるほど先端が尖っているとアーク放電が発生する可能性があるので、アーク放電が発生しないように、先端を丸めた形状などでもよい。ここで、突起部６０の配置は、円筒形状の中間電極上において、中間電極２０の軸方向の間隔および周方向の間隔がほぼ等しいように配列することが好ましい。
【００２４】
電圧印加部４０は、陽極電圧印加部４１、陰極電圧印加部４２および中間電極電圧印加部４３を有する。陽極電圧印加部４１は、陽極である真空容器１に接続され、真空容器１に陽極としての電位を与える。具体的には、真空容器１を接地する。すなわち、陽極電圧印加部４１は接地電極である。なお、陽極電圧印加部４１は接地電極に限定されず、設置電位相当の電位を与える電源でもよい。
【００２５】
陰極電圧印加部４２は、陰極１０の高電圧導入端子１２に接続され、陰極１０に負の電位を与える。また、中間電極電圧印加部４３は、中間電極２０の高電圧導入端子２２に接続され、中間電極２０に、陽極である真空容器１の電位と陰極１０の電位の中間の電位を与える。
【００２６】
なお、中間電極電圧印加部４３として電源等を用いて強制的に電圧を印加する方法の他に、中間電極２０に片端が設置された抵抗を接続し、抵抗に流れ込む放電電流によって抵抗間に電圧（自己バイアス）を発生させて、中間に電圧を印加する方法や、中間電極を浮遊電位にする方法でもよい。
【００２７】
燃料ガス供給部５０は、真空容器１内に、核融合反応の反応物質となる重水素、三重水素、ヘリウムまたはこれらの混合ガスを導入する。燃料ガス供給部５０は、供給源からの燃料ガスを移送する配管を有し、配管が真空容器１の側壁に設けられた開口に気密に接続している。すなわち、燃料ガス供給部５０の配管は真空容器１中のイオン生成領域１ａに接続されている。このため、燃料ガスはイオン生成領域１ａに供給される。
【００２８】
なお、燃料ガス供給部５０はイオン生成領域１ａに接続されるのが好ましいが、これに限定されない。真空容器１の他の部分でもイオン生成領域１ａには燃料ガスは供給されるので、配置上の制約等が有る場合も含め、真空容器１の他の部分に接続されることでもよい。
【００２９】
燃料ガス供給部５０の真空容器１への開放部分に図示しないノズルを設けて、燃料ガスを真空容器１中に浸透させるようにしてもよい。燃料ガス供給部５０は、具体的には、たとえば、ニードル弁とマスフローコントローラとを用いることができる。
【００３０】
水素のイオン化エネルギーは約１３ｅＶであり、比較的高いエネルギーレベルである。そこで、１３ｅＶよりも低いイオン化エネルギーを持つ原子をガス化し、燃料ガスと混合したものを燃料ガスとすることもできる。添加ガスとしては、ナトリウム（Ｎａ）やカリウム（Ｋ）などのアルカリ金属類、あるいは遷移金属類を、加温蒸気化あるいは化合物ガス化したものを用いることができる。
【００３１】
ガス圧調整部５２は、燃料ガス供給部５０の動作と相俟って真空容器１内の圧力を、たとえば数Ｐａ以下の一定圧力となるように調整する。ガス圧調整部５２は配管を有し、配管が真空容器１の加速領域１ｂに面した端面に設けられた開口に気密に接続している。すなわち、ガス圧調整部５２の配管は真空容器１中の加速領域１ｂに接続されている。ガス圧調整部５２で用いられる調整手段としては、具体的には、ターボ分子ポンプ、ロータリーポンプ、電離真空計、隔膜式真空計などを用いることができる。典型的には到達真空度０．０１Ｐａ〜１０Ｐａ程度の範囲に調整可能に真空排気される。真空排気は、例えば、ターボ分子ポンプとロータリーポンプとを組み合わせた真空排気系を構成でき、その排気速度はターボ分子ポンプの回転数を調整することで制御可能である。
【００３２】
図３は、第１の実施形態に係る核融合中性子発生装置内の径方向の電位分布を示すグラフである。横軸は、真空容器１の中心軸から径方向の距離である。縦軸は、径方向の距離に応じたそれぞれの位置における電位である。実線で示す曲線Ａは本実施形態による電位分布を示し、破線で示す曲線Ｂは中間電極２０が設けられていないとした場合の電位分布を示す。
【００３３】
曲線Ａで示す本実施形態の場合は、陽極である真空容器１の電位が０、陰極１０の電位が負の電位Ｖ１、中間電極２０の電位がＶ２となっている。陰極１０と中間電極２０間の電位分布、中間電極２０と陽極である真空容器１間の電位は、真空容器１等が円筒形状であることから、いずれも横軸の距離に対してほぼ対数形状の分布となる。
【００３４】
電界強度は電位分布曲線の傾きに対応するが、図３は、真空容器１内のマクロな電位分布を示すものである。中間電極２０に設けられた局所電界発生部８０としての突起部６０の周辺においては、強い電界が生じている。すなわち、局所電界発生部８０としての突起部６０の周辺の電界強度は、図３のイオン生成領域の電位分布曲線（実線Ａ）の点ａ２における傾きであるマクロな電界強度に比べて十分に大きな値となっている。
【００３５】
中間電極２０が設けられていない場合の電位分布曲線（破線Ｂ）では、傾きすなわち電界強度が最大となるのは、点ｂ１である。すなわち、中間電極２０が設けられていない場合には陰極１０において電界強度が最大となる。このため、主として陰極１０においてグロー放電が生じ、グロー放電によるイオン生成が行われる。イオンが発生する場所が陰極１０の近傍であるため、正のイオンの場合、陰極１０に到達するまでの加速領域が短く、十分なエネルギーが付与されないままに陰極１０に到達すること、発生したイオンが燃料ガス分子が充満する領域内で加速され陰極１０に到達する割合が減少する等の懸念がある。
【００３６】
一方、本実施形態の場合は、局所電界発生部８０としての突起部６０の周辺が、最も電界強度が大きい場所であるため、イオン生成領域１ａにおける突起部６０と陽極である真空容器１との間でコロナ放電が発生する。コロナ放電によりイオン生成領域１ａ内の燃料ガスがプラズマ化され、イオンが生成される。なお、局所電界発生部８０としての突起部６０は中間電極２０のイオン生成領域１ａ側に設けられ、径方向外側を向いていることから、突起部６０と陰極１０との間でアーク放電が生ずる可能性は小さい。
【００３７】
図３に示すように電位分布は、真空容器１の中心に向かって（図３の左側方向）下がることから、電界の方向は真空容器１の中心に向かう方向である。したがって、イオン生成領域１ａで生成されたプラスのイオンは、中間電極２０の通過孔を通ってイオン生成領域１ａから加速領域１ｂに流入し、陰極に向かって加速される。
【００３８】
図４は、イオンの陰極付近での振る舞いを概念的に示す図である。実線Ｔはイオン生成領域１ａから中間電極２０を通過して加速領域１ｂに流入した正のイオンの軌跡を概念的に示している。イオン生成領域１ａで生成されたたとえばＤ＋（重水素イオン）、Ｔ＋（３重水素イオン）などの正のイオンは、陰極１０に引かれて、陰極１０に向かって飛翔する。
【００３９】
陰極１０の幾何学的透過率はたとえば９５％と大きいため、大部分の正のイオンは、陰極ロッド１０ａの間を通り抜けて、減速しながら陰極１０の領域外の点Ｐ１の位置まで移動する。点Ｐ１の位置で停止した後に、反転して陰極１０に引かれ点Ｐ１よりは陰極に近い点Ｐ２で反転、さらに反転して陰極１０に引かれ点Ｐ２よりは陰極に近い点Ｐ３で反転するという過程を繰り返す。この間に他の正のイオンや燃料ガス分子と衝突し、核融合反応を起こす。
【００４０】
ここで、陰極の幾何学的透過率を大きくするために、陰極ロッド１０ａの本数を減らした場合を考える。この場合、電界は陰極ロッド１０ａのそれぞれの周囲に強く形成されるので、陰極１０全体の周囲の電界は歪むことになる。したがって、陰極１０を通過して停止する点は、図４の点Ｐ１からずれて、反転しても陰極の中心方向には戻らない状態が生ずる。このような状況では、陰極における核融合反応に寄与するイオンの量が減少することになる。したがって、陰極１０の幾何学的透過率を大きくしすぎることは好ましくない。
【００４１】
一方、幾何学的透過率が小さくなると、陰極１０により吸引されるイオンが陰極ロッド１０ａに衝突する割合が大きくなり、核融合反応に寄与するイオンの量が減少することになる。したがって、陰極１０の幾何学的透過率を小さくしすぎることは好ましくない。前述の、９０％以上たとえば９５％程度の幾何学的透過率は、このような理由による。
【００４２】
陰極１０での核融合反応は、たとえば、次のように、中性子あるいは陽子の発生をもたらす。
Ｄ  ＋  Ｄ  →  ３Ｈｅ  ＋  ｎ
Ｄ  ＋  Ｄ  →  Ｔ  ＋  ｐ
Ｄ  ＋  Ｔ  →  ４Ｈｅ  ＋  ｎ
ただし、Ｄは重水素、Ｔは三重水素、ｎは中性子、ｐは陽子、Ｈｅはヘリウムを示す。
【００４３】
以上のように、本実施形態によれば、中間電極２０に局所電界発生部８０として突起部６０を設けた簡易な構成により、核融合中性子発生装置における核融合反応率を向上させることができる。
【００４４】
［第２の実施形態］
図５は、第２の実施形態に係る核融合中性子発生装置の構成を示す縦断面図である。本実施形態は第１の実施形態の変形であり、核融合中性子発生装置１００は、調整電極３０を有する。
【００４５】
調整電極３０は、円筒形状であり、真空容器１内の加速領域１ｂの空間に、真空容器１と同軸となるように設けられている。調整電極３０の材料は導電性である。調整電極３０の幾何学的透過率は、たとえば９５％などと９０％以上であることが望ましい。このため、調整電極３０は、図５に示すように、多孔板の円筒形状である。なお、幾何学的透過率を確保するためには、多孔板であることには限定されない。たとえば、かご状、あるいは網状などであってもよい。真空容器１内の加速領域１ｂの空間は、調整電極３０が設けられていることにより、調整電極３０より内側の領域と、調整電極３０より外側の領域とに区分される。
【００４６】
調整電極３０は、調整電極支持部３１により支持されている。調整電極支持部３１は、真空容器１に取り付けられ真空容器１により支持されている。調整電極支持部３１は、たとえばアルミナなどの絶縁材料製であり、調整電極３０と真空容器１の間を電気的に絶縁している。調整電極支持部３１の内外に導電性の高電圧導入端子３２が貫通しており、調整電極３０と電気的に接続しており、調整電極電圧印加部４４により電位を与えられる。調整電極支持部３１と真空容器１の間、および調整電極支持部３１と高電圧導入端子３２の間は、気密になっている。
【００４７】
図６は、第２の実施形態に係る核融合中性子発生装置の径方向の電位分布を示すグラフである。破線で示す曲線Ａは第１の実施形態の場合、すなわち調整電極が設けられていない場合の電位分布である。実線で示す曲線Ｃは本実施形態の場合、すなわち調整電極３０が設けられている場合の電位分布である。陰極１０と中間電極２０間の加速領域１ｂにおける電位分布は、曲線Ｃの方が曲線Ａに比べて、点ａ１と点ａ２とを結ぶ直線により近い。すなわち、本実施形態の方が第１の実施形態に比べて電界強度の分布がより平坦であることがわかる。
【００４８】
このように、陰極１０と中間電極２０の間に調整電極３０を設けることにより、加速領域１ｂ内の電位分布を調整することができる。また、調整電極が１つの場合を示したが、必要に応じて、それぞれの領域を内側と外側とに区切る調整電極をさらに設けてもよい。
【００４９】
なお、電位分布の調整は、平坦化には限らず、任意の電位分布を実現するために調整電極３０を用いてもよい。
【００５０】
［第３の実施形態］
図７は、第３の実施形態に係る核融合中性子発生装置内の中間電極の電位の時間的変化を示すグラフである。本実施形態は第１の実施形態の変形である。本実施形態においては、中間電極電圧印加部４３（図１）は、図７に示すように、中間電極２０の電位を時間的に正側と負側とに交互に変化させる。ここで、電圧の極性の切り替え時間は、アーク放電を誘起しにくくし、コロナ放電を安定化させるために、短く設定することが望ましい。電圧の極性の切り替え時の立ち上がり、立下り時間は、たとえば、ナノ秒ないしマイクロ秒程度である。
【００５１】
なお、波形は、図７で示すような波形に限らない。正側と負側とに交互に変化する波形であれば、たとえば、三角波、台形波、矩形波、あるいは正弦波などであってもよい。
【００５２】
図８は、第３の実施形態に係る核融合中性子発生装置内の径方向の電位分布を示すグラフである。実線で示す曲線Ｎは中間電極２０の電位が負の場合、破線で示す曲線Ｐは中間電極２０の電位が正の場合を示す。陰極１０の電位はＶ３、陽極である真空容器１の電位は０で固定されている。図９は、電位分布の変形例を示すグラフである。陰極１０の電位は、図９に示すように浮遊電位Ｖｎとしてもよい。
【００５３】
中間電極２０の電位が正負に変化する場合、加速領域１ｂにおける電位分布は、図８に示すように左下がりのままである。すなわち、電界はグラフの左方向、すなわち中間電極２０から陰極１０の方向のままである。一方、イオン生成領域１ａにおける電位分布は、図８に示すように右下がりと右上がりを繰り返す。すなわち、グラフの左方向の電界と右方向の電界とを繰り返す。
【００５４】
図１０は、本実施形態に係る核融合中性子発生方法の手順を示すフロー図である。まず、陽極電圧印加部４１が真空容器１の電圧にゼロ電位を、また、陰極電圧印加部４２が陰極１０に負電位を付与する（ステップＳ０１）。
【００５５】
次に、中間電極電圧印加部４３が、中間電極２０に正の電位を付与する（ステップＳ０２）。一般に、正のコロナ放電は、第１の実施形態においての突起部６０に負の電位を印加して発生させる負のコロナ放電に比較して、正のイオンがより多く生成される。ここで、正のコロナ放電とは、突起部に正の電位を印加して発生させるコロナ放電を言う。中間電極２０に正の電位が与えられると、陽極である真空容器１に対して正の電位となる。局所電界発生部８０である突起部６０近傍では電界強度が高いため、真空容器１との間で正のコロナ放電が発生する。このため、燃料ガスであるたとえば重水素は、正の重水素イオンとなる。中間電極２０に正の電位が印加されている間は、正の重水素イオンは真空容器１の方向に加速される。
【００５６】
次に、中間電極電圧印加部４３は、中間電極２０に負の電位を付与する（ステップＳ０３）。中間電極２０が負の電位に転じた後は、電界方向は反転し、正の重水素イオンは中間電極２０方向に加速される。なお、次のサイクルで中間電極２０が正の電位に転じるとイオン生成領域１ａ内は再び真空容器１の方向に電界が転じるが、この間に中間電極２０を透過して加速領域１ｂに流入した重水素イオンは、陰極１０方向に加速され、陰極１０において核融合反応に寄与する。
【００５７】
次に、中間電極電圧印加部４３は、核融合中性子発生装置１００による中性子発生の終了か否かを判定し、終了とすべき（ステップＳ０４  ＹＥＳ）であれば終了する。また、終了ではない場合（ステップＳ０４  ＮＯ）は、ステップＳ０２以降を繰り返す。終了の判定条件は、中間電極電圧印加部４３への外部入力を可能に構成し、終了時刻、開始時刻からの中性子発生時間を予め中間電極電圧印加部４３に指定しておくか、あるいは、終了時点となったら、その旨を中間電極電圧印加部４３に入力することで行える。
【００５８】
このように、中間電極２０の電位を正の電位として効率よく燃料ガスの正のイオンをより多く生成させ、中間電極２０の電位を負に転じて、生成された正のイオンを陰極１０側に収集することにより、核融合反応効率を飛躍的に向上させることができる。
【００５９】
また、中間電極２０の極性を正負に交互に反転させることによって、コロナ放電の生成を安定化させることができる。
【００６０】
［第４の実施形態］
図１１は、第４の実施形態に係る核融合中性子発生装置の構成を示す縦断面図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。本実施形態における核融合中性子発生装置１００は、ガスボンベ５３、パルスバルブ５４、パルスバルブ制御器５５、およびタイミング調節器５７を有する。
【００６１】
ガスボンベ５３は燃料ガスであるたとえば重水素ガスあるいは三重水素ガスを収納する。パルスバルブ５４は、圧力調整弁（図示せず）により減圧調整されたガスボンベ５３からの燃料ガスをパルス状に真空容器１に導入する。真空容器１中のイオン生成領域１ａ内に燃料ガスを浸透できるように、パルスバルブ５４の真空容器１への開放部分に図示しないノズルを設けてもよい。
【００６２】
タイミング調節器５７は、陰極電圧印加部４２、中間電極電圧印加部４３、およびパルスバルブ制御器５５を介してパルスバルブ５４のそれぞれに指令信号を出力し、これらの相互の時間関係を調節する。
【００６３】
図１２は、第４の実施形態に係る核融合中性子発生方法の手順を示すフロー図である。また、図１３は、パルス動作装置のタイミングチャートと付随反応プロセスの概念的時間変化を示すグラフであり、（ａ）は放電領域（イオン生成領域）での導入燃料ガス量の時間変化、（ｂ）は中間電極電位の時間変化、（ｃ）は陰極電位の時間変化、（ｄ）は加速領域でのイオン量の時間変化を示す。以下、図１２、図１３を引用しながら、核融合中性子発生方法の手順および核融合中性子発生装置の作用を説明する。
【００６４】
まず、陽極である真空容器１、陰極１０、および中間電極２０の電位は、ゼロの状態におく（ステップＳ１１）。この状態において、まず、タイミング調節器５７は、パルスバルブ５４に開指令を出力する。パルスバルブ５４は、所定の時間間隔だけ開いた後に閉鎖する（ステップＳ１２）。この結果、図１３（ａ）に示すように、時刻Ｔ１から時刻Ｔ３までの所定の時間間隔だけイオン生成領域１ａに燃料ガスであるたとえば重水素ガスが注入される。図１３（ａ）の縦軸は、イオン生成領域１ａ内の単位体積当たりの燃料ガス量、すなわち燃料ガスの濃度である。
【００６５】
詳細には、燃料ガスがイオン生成領域１ａに注入されると、イオン生成領域１ａ内の燃料ガスの濃度は上昇した後、イオン生成領域１ａと加速領域１ｂとの圧力差により、燃料ガスは加速領域１ｂに移動するため、イオン生成領域１ａ内の燃料ガスの濃度は低下する。したがって、燃料ガスがイオン生成領域１ａに注入されることにより、イオン生成領域１ａ内の燃料ガスの濃度は、上昇後、ピークに達し、その後低下する。
【００６６】
なお、燃料ガスのイオン生成領域１ａへの注入速度は、パルスバルブ５４の開時間やその繰り返し周波数をタイミング調節器５７からの制御信号により制御する。なお、必要に応じて、ガスボンベ５３の図示しない圧力調整弁や、パルスバルブ５４の図示しない喉部内径の調整や、ガス圧調整部５２の排気速度の調整を同時に行い、イオン生成領域１ａを燃料ガスで満たす時間を制御する。パルスバルブ５４の設置個数は、出来るだけ短時間でイオン生成領域１ａを燃料ガスで満たすという目的から、互いに近接して配置させることが好ましい。
【００６７】
タイミング調節器５７は、パルスバルブ５４に開指令を出力すると同時、あるいは出力した後に、中間電極電圧印加部４３に中間電極２０に負電位を与え、所定時間後に中間電極２０にゼロ電位を与えるよう指令信号を出力する（ステップＳ１３）。この所定の時間は、解析、あるいは試験などにより決定すればよい。
【００６８】
なお、ステップＳ１２においてイオン生成領域１ａが燃料ガスで満たされると、これに応じてイオン生成領域１ａの圧力が局部的に上昇する。気体における放電開始電圧の気体の圧力への依存特性は、パッシェン曲線により与えられる。パッシェン曲線は、電極間距離を一定とした場合、圧力の上昇に従って放電開始電圧が低下し、その後、最小値に達した後に上昇するという特性を示す。この最小値を与える圧力は、体系の形状にも依存するが一般に十分に大きい。
【００６９】
核融合中性子発生装置の放電における、圧力範囲は一般的にこの最小値を与える圧力よりも低い圧力領域、すなわち圧力の上昇に従って放電開始電圧が低下する領域である。このため、本実施形態においては、圧力の上昇に対して放電開始電圧は低下するという特性となる。したがって、ステップＳ１２でのイオン生成領域１ａへの燃料ガスの注入により、イオン生成領域１ａの圧力が上昇している間、中間電極２０が負電位になっていることが重要である。
【００７０】
このように、イオン生成領域１ａ内の燃料ガスの濃度がピークに達する前に、図１３（ｂ）に示すように、時刻Ｔ２から時刻Ｔ４までの時間にわたり、中間電極電圧印加部４３が、電位がゼロであった中間電極２０に負電位を与える。負電位は、たとえば、−１０ｋＶ程度である。時刻Ｔ２は時刻Ｔ１ないし燃料ガスの濃度がピークに達する時刻の間のいずれかの時刻に設定される。また、時刻Ｔ４は時刻Ｔ３ないし時刻Ｔ３後の時刻に設定される。中間電極電圧印加部４３に負電位が与えられることによって、イオン生成領域１ｂは放電領域となり、たとえば重水素イオンが高密度で発生する。
【００７１】
次に、タイミング調節器５７は、中間電極２０の電位が、負電位からゼロ電位に切り替わる時刻Ｔ４に、陰極電圧印加部４２に、ゼロであった陰極１０に負電位を与え、所定時間後に陰極１０にゼロ電位を与えるよう指令信号を出力する（ステップＳ１４）。陰極１０は、図１３（ｃ）に示すように所定の時間の間、負電位となる。負電位は、たとえば、−１００ｋＶ程度である。この所定の時間は、解析、あるいは試験などにより決定すればよい。
【００７２】
この結果、加速領域１ｂに、陽極である真空容器１と陰極１０の外面とで挟まれる円環状の空間領域、すなわち、イオン生成領域１ａおよび加速領域１ｂには、電界が生ずる。この電界により、イオン生成領域１ａおよび加速領域１ｂには、中性の残留ガスが低減された状態でイオン加速がなされる領域となり、高効率で重水素イオンが高エネルギーに加速される作用が得られる。加速領域１ｂにおける単位体積当たりのイオン量は、図１３（ｄ）のように変化する。
【００７３】
次に、タイミング調節器５７は、核融合中性子発生装置１００による中性子発生の終了か否かを判定し、終了とすべき（ステップＳ１５  ＹＥＳ）であれば終了する。また、終了ではない場合（ステップＳ１５  ＮＯ）は、ステップＳ１２以降を繰り返す。
【００７４】
以上のように、本実施形態により、イオンの生成とイオンの加速を、空間的および時間的に分離することにより、核融合反応率の向上を図ることができる。
【００７５】
なお、本実施形態では、陰極１０および中間電極２０への印加電圧をそれぞれ負の電圧としたが、これには限定されない。陰極１０および中間電極２０への印加電圧をそれぞれ正の電圧としてもよく、同様の効果が得られる。また、イオン生成領域１ａにおける放電も、コロナ放電には限定されない。たとえば、グロー放電でもよく、同様の効果が得られる。
【００７６】
［第５の実施形態］
図１４は、第５の実施形態に係る核融合中性子発生装置の構成を示す縦断面図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。本実施形態による核融合中性子発生装置１００は、局所電界発生部８０である光入射装置をさらに有する。また、パルスバルブ５４は、陽極である真空容器１の側壁に互いに軸方向および周方向に沿って互いに間隔をあけて複数設けられており、全てのパルスバルブ５４が同時に開くことにより、それぞれの開放口に設けられた図示しないノズルからイオン生成領域１ａ内に一様に燃料ガスが噴霧される。
【００７７】
光入射装置は、真空容器１中のイオン発生領域１ａに局所的な電場を形成させるために光のエネルギーを入射させる。局所的な電場を効率的に形成できるものとしては、具体的には、レーザ装置７０がある。なお、局所的な電場を形成できるエネルギーをイオン発生領域１ａに付与できれば、光入射装置は、レーザ装置に限らない。以下、レーザ装置を例に説明する。
【００７８】
レーザ装置７０は、パルスレーザ発信器７１、部分反射ミラー７２、レンズ７３、およびミラー７４を有する。
【００７９】
パルスレーザ発信器７１は、パルス状にレーザを出力する。レーザとしては炭酸ガスレーザ、窒素ガスレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ  Ａｌｉｍｉｎｕｍ  Ｇａｒｎｅｔ）レーザ、ルビーレーザ、ＯＰＯ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）レーザ、チタンサファイヤレーザ、ファイバレーザ、半導体レーザ等が適用できる。レーザパルスは、たとえば、ナノ秒Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、フェムト秒レーザなどのパルス幅が１μｓ以下の短いものが効率的であり望ましい。
【００８０】
部分反射ミラー７２は、入射したレーザ光を透過成分と反射成分とに分離する。レンズ７３は、凸レンズであり入射したレーザ光を集光する。ミラー７４は、入射したレーザ光を反射させる。
【００８１】
タイミング調節器５７は、ガスボンベ５３、陰極電圧印加部４２、中間電極電圧印加部４３、パルスバルブ制御器５５およびパルスレーザ発信器７１に、それぞれの相互のタイミングを調整するように動作指令信号を発する。
【００８２】
以下、このように構成された本実施形態における作用のうち、レーザ装置７０による作用について説明する。まず、タイミング調節器５７は、各パルスバルブ５４に開指令を出力する。各パルスバルブ５４が開くことによって、ガスボンベ５３から燃料ガスがイオン生成領域１ａに注入される。また、タイミング調節器５７は、各パルスバルブ５４が開くと同時に、あるいは直後にレーザ装置７０にレーザ照射を指令する。
【００８３】
パルスレーザ発信器７１より出力したパルスレーザ光は、部分反射ミラー７２で方向を変えた後に、レンズ７３により集光され、また、ミラー７４により、燃料ガスに集光照射される。燃料ガスの分子は、レーザによる共鳴励起あるいは多光子吸収により電離され、プラズマ化することによって、イオン生成する。
【００８４】
パルスバルブ５４の開放タイミング、中間電極２０の高電圧印加タイミング、レーザ装置７０の照射タイミングは、タイミング調節器５７により調整する。タイミング調節器５７としては、例えば少なくとも３種以上のタイミングが異なるパルスを発生させることができるパルスジェネレータなどがある。
【００８５】
図１５は、第５の実施形態に係る核融合中性子発生装置での発光強度および放出された燃料ガス量の時間変化を示すグラフであり、（ａ）はブレイクダウンプラズマの一般的な発光特性、（ｂ）は放出された燃料ガス量の時間変化を示す。図１５（ａ）に示すように、パルスレーザのパルス幅は、たとえば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザでは１０ｎｓ程度であり、燃料ガスの種類や燃料ガスの密度にもよるがプラズマの発光時間は数１０μｓに及ぶ。すなわちレーザ照射終了後もプラズマは成長を続け、数１０μｓを過ぎると減衰する。
【００８６】
したがって、図１５（ｂ）に示すように、プラズマ継続時間に合わせて適切にパルスバルブ５４の開放時間を設定することによって、効率よくイオンを生成させることができる。
【００８７】
なお、本実施形態においては、局所電界発生部８０としての突起部６０に加えて、局所電界発生部８０としてのレーザ装置７０をさらに有することにより、イオン生成領域１ａにおいてのイオン生成効率をさらに向上させる場合を示したが、これには限定されない。すなわち、局所電界発生部８０としてレーザ装置７０のみを設ける場合でもよい。
【００８８】
［その他の実施形態］
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。たとえば、各実施形態では、真空容器の形状が円筒形の場合を示したが、これには限定されない。たとえば、球形あるいは多面体形状でもよい。この場合、中間電極および追加電極の形状も、それぞれの真空容器の形状とその中心の間の位置に電位を設定するのに適切な形状、たとえば、真空容器と相似な形状とすればよい。
【００８９】
真空容器の材料についても、各実施形態においては、導電性の物質を材料とする場合を示したが、これには限定されず、ガラスあるいはセラミックなどの絶縁性の物質の場合でもよい。この場合は、真空容器の内面に導電性の材料を用いた陽極を設け、真空容器を気密に貫通し陰極電圧印加部に接続するリード線を設ければよい。
【００９０】
また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。たとえば、第４の実施形態による核融合中性子発生方法では、局所電界発生部８０としては突起部６０が設けられている場合であるが、これには限定されない。すなわち、第４の実施形態による核融合中性子発生方法と第５の実施形態によるレーザ装置を組み合わせた実施形態でもよい。
【００９１】
さらに、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。
【００９２】
これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００９３】
１…真空容器、１ａ…イオン生成領域、１ｂ…加速領域、１０…陰極、１０ａ…陰極ロッド、１１…陰極支持部、１２…高電圧導入端子、２０…中間電極、２１…中間電極支持部、２２…高電圧導入端子、３０…調整電極、３１…調整電極支持部、３２…高電圧導入端子、４０…電圧印加部、４１…陽極電圧印加部、４２…陰極電圧印加部、４３…中間電極電圧印加部、４４…調整電極電圧印加部、５０…燃料ガス供給部、５２…ガス圧調整部、５３…ガスボンベ、５４…パルスバルブ、５５…パルスバルブ制御器、５７…タイミング調節器、６０…突起部、７０…レーザ装置、７１…パルスレーザ発信器、７２…部分反射ミラー、７３…レンズ、７４…ミラー、８０…局所電界発生部、１００…核融合中性子発生装置
【図１】
2017003362.tif 000003
【図２】
2017003362.tif 000004
【図３】
2017003362.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2017003362.tif 000008
【図７】
2017003362.tif 000009
【図８】
2017003362.tif 000010
【図９】
2017003362.tif 000011
【図１０】
2017003362.tif 000012
【図１１】
2017003362.tif 000013
【図１２】
2017003362.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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