(57)【要約】【課題】  本発明の課題は、慣性閉じ込め型核融合装置において、比較的条件達成の容易な密度１００ｇ／ｃｍ３、温度１００万度程度の爆縮された高密度プラズマに、高速点火方式とは異なった方法でイオン温度を効率的に核融合点火温度まで上昇させた領域を形成する方法を提供することにある。【解決手段】  水素同位体を燃料として含んだターゲットをレーザー光、または電子ビーム、またはイオンビーム、またはＸ線、またはプラズマで爆縮し高密度プラズマを形成する段階と、この爆縮された高密度プラズマの外周部にレーザー光を照射し、高密度プラズマの外周部の電子を加熱し、加熱された電子の平均温度を１０ｋｅＶ程度までとし、高密度プラズマ中での高速な電子−イオンエネルギー緩和を用いてイオンの平均温度を５ｋｅＶ以上の核融合点火温度とする段階とを備えることを特徴とした核融合点火方法を構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素同位体を燃料として含んだ高密度のプラズマに核融合反応を開始させる方法であって、水素同位体を含んだ物質を、レーザー光、または電子ビーム、またはイオンビーム、またはＸ線、またはプラズマで爆縮し高密度プラズマを形成する段階と、この爆縮された高密度プラズマの外周部にレーザー光を照射し、高密度プラズマの外周部の電子を加熱し、加熱された電子の平均温度を１０ｋｅＶ程度までとし、高密度プラズマ中での高速な電子−イオンエネルギー緩和を用いてイオンの平均温度を５ｋｅＶ以上の核融合点火温度とする段階とを備えることを特徴とした核融合点火方法。
【請求項２】
請求項１の核融合点火方法において、爆縮に用いられるレーザー光がＮｄガラスレーザーの１μｍ帯の基本波の倍波、あるいは３倍波であり、電子の加熱に用いられるレーザー光はＮｄガラスレーザーの１μｍ帯の基本波であることを特徴とする核融合点火方法。
【請求項３】
請求項１の核融合点火方法において、爆縮に用いられるレーザー光がＹｂガラスレーザーの１μｍ帯の基本波の倍波、あるいは３倍波であり、電子の加熱に用いられるレーザー光はＹｂガラスレーザーの１μｍ帯の基本波であることを特徴とする核融合点火方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、水素同位体を含んだ高密度のプラズマに核融合反応を点火する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  現在、実用化が考えられている核融合方法は３種類あり、１つは高温プラズマの磁気閉じ込め方式でありトカマク、ステラレータ方式が代表的である。もう一つはミューオンを用いた触媒核融合方式であり、さらに一つはレーザー光などでターゲットを爆縮し高温高密度状態で短時間に反応を起こす慣性閉じ込め核融合方式である。【０００３】  これらの核融合方法で西暦２００８年から２０２０年にかけて、核融合反応を生じさせるために投じたエネルギーと等しいか、あるいはそれ以上のエネルギーが核融合反応によって発生する条件が達成されようとしている。【０００４】  しかし、これらは科学的な可能性の実証であって、核融合反応を商業的にエネルギー生産の手段として用いるには、西暦２１００年程度までの継続的進歩が必要と考えられている。【０００５】  本発明の属する慣性閉じ込め核融合方式では、レーザー光を用いてターゲットを球対称に爆縮し、密度１０００ｇ／ｃｍ３、温度１億度の反応中心を形成し、核融合反応を生じさせる中心点火方式の研究が進められ、西暦２００８年夏より、アメリカ合衆国のＮＩＦ実験装置において科学的検証がなされようとしている。【０００６】  また、日本国においては、大阪大学を中心に中心点火方式、および高速点火方式と呼ばれる慣性閉じ込め核融合実験が行われている。【０００７】  しかし、中心点火方式の密度、温度条件を達成するには、極めて均一性の高い球対称性が要求され、ＮＩＦの実験装置をもってしても実現可能かどうかは危ぶまれている。【０００８】  これに対し、大阪大学などで試みられている高速点火方式では、高密度プラズマの密度を１００ｇ／ｃｍ３程度に抑え、爆縮の均一性の要件を緩和し、高密度プラズマの温度が１００万度程度と低いことに関しては、ペタワットレーザー光を追加で照射し、高温のスポットを形成、核融合反応に点火し反応を伝搬させることが試みられている。しかし、現状では実用可能な方法であるかどうかの検証は確立していない。
【非特許文献１】  レーザー核融合  中井貞雄著  大阪大学出版会
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】  慣性閉じ込め核融合方式における、中心点火方式に必要な密度１０００ｇ／ｃｍ３、温度１億度の反応中心を形成するための極めて均一性の高い球対称爆縮を行う装置を実現することは非常に難しく、技術的に可能であっても非常にコストがかかる。したがって、高速点火方式における密度条件１００ｇ／ｃｍ３、温度１００万度程度の高密度プラズマに核融合反応の点火ができれば、ドライバーと呼ばれる爆縮のためのエネルギー投入装置の作成が容易になり、コストも大幅に下げることができる。【００１０】  しかし、高速点火方式において、ペタワットレーザーを用いて高温のスポットを形成しようとすると、電子のエネルギーがＭｅＶ級に達してしまい、密度１００ｇ／ｃｍ３程度のプラズマでは電子の飛程が長くなり、エネルギーのレーザー光照射領域での閉じ込めが期待できなくなる。またＭｅＶ級のエネルギーを持った電子の電子−イオン緩和時間も長くなり、高密度プラズマの閉じ込め時間中でイオンの温度を効率的に上昇させることが難しくなる。【００１１】  本発明の課題は、比較的条件達成の容易な密度１００ｇ／ｃｍ３、温度１００万度程度の爆縮された高密度プラズマにおいて、高速点火方式とは異なった方法でイオン温度を効率的に核融合点火温度まで上昇させた領域を形成する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】    水素同位体を燃料として含んだ高密度のプラズマに核融合反応を開始させる方法であって、水素同位体を含んだ物質を、レーザー光、または電子ビーム、またはイオンビーム、またはＸ線、またはプラズマで爆縮し高密度プラズマを形成する段階と、この爆縮された高密度プラズマの外周部にレーザー光を照射し、高密度プラズマの外周部の電子を加熱し、加熱された電子の平均温度を１０ｋｅＶ程度までとし、高密度プラズマ中での高速な電子−イオンエネルギー緩和を用いてイオンの平均温度を５ｋｅＶ以上の核融合点火温度とする段階とを備えることを特徴とした核融合点火方法を構成する。
【発明の効果】
【００１３】  本発明において、核融合反応を点火する爆縮された高密度プラズマの条件は密度１００ｇ／ｃｍ３、温度１００万度程度である。この条件を達成することは比較的容易であり、レーザー爆縮型慣性閉じ込め核融合実験装置で既に実現されており、商業的に利用可能な装置を建造するためのコストも低く、技術的にもほぼ確立している。慣性閉じ込め型の核融合装置の代表として、レーザー光を用いた装置を考えると、燃料のターゲットを爆縮するためには、波長の短い光を用いた方が燃料内部の加熱を抑え、均一性も高くなる。したがって、代表的実験装置では爆縮にはＮｄガラスレーザーの１μｍ帯の基本波の倍波、３倍波が用いられる。本発明における爆縮段階は従来技術と同じである。【００１４】  次の段階として、本発明ではプラズマの電子を効率的に加熱する赤外線領域のレーザー光、例としてはＮｄガラスレーザーの１μｍ帯の基本波を爆縮された高密度プラズマの外周部に照射する。第一段階の爆縮によっては電子温度、イオン温度は１００ｅＶすなわち１００万度程度であり核融合反応はほとんど起こらない。この高密度プラズマの外周の電子を赤外線領域のレーザー光で加熱し、平均電子温度１０ｋｅＶ程度まで上昇するように加熱する。平均電子温度１０ｋｅＶ程度の電子は、１００ｅＶ程度の比較的低温のイオンと電子−イオンエネルギー緩和を３ｐｓ程度で起こし、イオン温度を５ｋｅＶの核融合反応点火温度に上昇させる。これに続いて核融合反応は高密度プラズマの外周部から内部に向かって進行していく。中心点火方式の高密度プラズマの閉じ込め時間は１０ｐｓ程度で短いが、本発明で利用する密度１００ｇ／ｃｍ３、温度１００万度程度の高密度プラズマの閉じ込め時間は１００ｐｓから１ｎｓとかなり長いため、核融合燃料の１０％以上が反応することが予測され、実用領域に到逹する。
【発明を実施する最良の形態】
【００１５】    水素同位体を燃料として含んだターゲットを、レーザー光、または電子ビーム、またはイオンビーム、またはＸ線、またはプラズマで爆縮し高密度プラズマを形成する。この時の高い密度プラズマの密度は１００ｇ／ｃｍ３、電子温度、イオン温度は１００ｅＶ程度とし、高密度プラズマの閉じ込め時間を１００ｐｓから１ｎｓと長くする。
【００１６】  次に、爆縮された高密度プラズマの外周部に赤外線領域のレーザー光を照射し、高密度プラズマの外周部の電子を加熱し、加熱された電子の平均温度を１０ｋｅＶ程度までとし、高密度プラズマ中での高速な電子−イオンエネルギー緩和を用いてイオンの平均温度を５ｋｅＶ以上の核融合点火温度に上昇させる。
【００１７】  高密度プラズマの外周部で核融合反応が開始されると燃焼は内部に向かって進行する高密度プラズマの閉じ込め時間が１００ｐｓから１ｎｓと長いので、燃料の１０％以上が核融合反応を起こし商業的に利用可能なエネルギーが発生する。
【実施例】
【００１８】  図を用いて実施例を説明する。１１は核融合反応を起こす燃料を含んだ球状のターゲットであり、本発明では重水素と三重水素を数密度で等しく含む。１２は球状のターゲットの外周部を加熱、爆発させターゲットを爆縮するレーザー装置である。Ｎｄガラスレーザーの１μｍ帯の基本波をＫＤＰ結晶を用いた非線形光学装置により３倍波に変換して用いる。このようなレーザー装置、非線形光学装置の構成法は非特許文献２に詳しく記されている。
【非特許文献２】”Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ”Ｗ．Ｋｏｅｃｈｎｅｒ  Ｓｐｒｉｎｇｅｒ１３は爆縮された高密度プラズマの外周に照射し電子温度を上昇させるためのレーザー装置であり、Ｎｄガラスレーザーの１μｍ帯の基本波を用いる。２１は容器であり。２２は金属ウラン２３８からなる高速中性子の吸収と核分裂によるエネルギー増幅を行うブランケットである。３１はレーザー光の発振のトリガー発生装置であり、３２はレーザー光発振のタイミングを遅らせるための遅延装置である。冷却機構は図中に示すことを省略した。【００１９】  次に本発明の核融合点火方法の手順を説明を行う。はじめに容器２１内にターゲット１１がセットされる。トリガー発生装置３１から信号が発生し、爆縮用レーザー装置１２からＮｄガラスレーザーの１μｍ帯の基本波の三倍波４１が発生し、ターゲットを爆縮する。爆縮に用いられるレーザー光の総出力は５００ｋＪとした。【００２０】  爆縮された高密度プラズマが密度１００ｇ／ｃｍ３、電子温度、イオン温度１００ｅＶに達した時点で電子温度加熱用のレーザー１３が発射されるように、タイミングの遅延装置が調整される。このタイミングの調整量は理論的に算出する事が困難なので、爆縮実験を繰り返し最適値を求める。また電子加熱用レーザー光４２の総出力も０から５００ｋＪまで可変とし、爆縮実験によって最適な加熱エネルギー量を求める。【００２１】  上記構成で爆縮１回あたりの核融合反応による発生エネルギーは１０ＭＪ程度になる。重水素と三重水素の核融合反応で発生する１４ＭｅＶの高速中性子は金属ウラン２３８からなるブランケットによって吸収され、この時ウラン２３８の核分裂反応によってエネルギー増幅が行われ、爆縮１回あたりおよそ１００ＭＪの熱エネルギーが発生する。１秒あたり１０回の爆縮を行うことで百万ｋＷの熱出力が得られる。これはウラン２３５の熱中性子による核分裂反応をもちいた商用の中型原子炉の出力に匹敵し、実用可能なレベルである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の核融合点火方法を用いた核融合装置の概念図である。
【符号の説明】
１１  核融合反応の燃料を含んだ球状のターゲット
１２  ターゲットを爆縮するレーザー装置
１３  電子の加熱を行うレーザー装置
２１  容器
２２  ウラン２３８のブランケット
３１  レーザー装置のトリガー信号発生装置
３２  トリガー信号の遅延装置
４１  ターゲットを爆縮するレーザー光
４２  電子を加熱するレーザー光
【図１】
2009288229.tif 000003