JP2005189224A - 動力用核融合炉 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の核融合炉には、磁力でプラズマを閉じ込めるトカマク方式、燃料ペレットをレーザーで照射する爆縮方式等がある。しかしこれらはプラズマの研究には非常に有効であるが、商業ベースの発電所のための核融合炉には、未だに前途の道筋、開発スケジュール等が明らかにされていない。
【解決手段】 イオン源付きの線形加速器を同一センターライン上で向き合わせたイオンビーム発生システムを使用する。このイオンビームを必要な数だけ球形圧力容器（真空）の中心点で交差させるとイオンビームボールができる。加速パルスを同期させて、同一ポイント、同一タイミングで正面衝突させる。高速・高密度の陽イオンは中心点で正面衝突を繰り返し、核融合反応が発生する。
【選択図】 「図２」

Description

本発明は、商業用発電プラントの動力用核融合炉に関する。

従来の核融合炉には、磁力でプラズマを閉じ込めるトカマク方式、燃料ペレットをレーザーで照射する爆縮方式等の実験炉がある。
国産のＪＴ−６０、現在計画中のＩＴＥＲもトカマク方式の研究炉である。その方式の延長線上に実用的な連続定格１，０００，０００ｋｗ級の動力用核融合炉の像が見えてこない。
レーザー方式では、射出された燃料ペレット（直径１．０〜５．０ ｍｍ）を追尾して、球面配置の多数のレーザー光をシンクロ照射する計画がある．実験室の一発テストとしては面白いが、発電プラントのエネルギー発生源としては、高温雰囲気から考えても、かなりの無理があると判断される。また１台のレーザーの増幅アレイの長さが３０ｍもあるので，球面配置するには、その取り扱いがむずかしく、実用的ではない。

以上に述べた従来の核融合炉はプラズマ研究のための実験炉である。直接的にそのままの方式をスケールアップしていくと、商業用発電プラントの核融合炉になるというエンジニアリング的概算を含めた説明が見当たらない。

本発明はプラズマ実験装置からのスタートではない。逆に目的とする発電プラント用球形ボイラーを前提条件として、これに適合可能な核融合現象を見出して適用するものである。

イオン源付きの線形加速器を正対させた、いわゆるタンデム方式のイオンビーム発生システムをセットする。イオン源から送り込まれたＤ・Ｔイオンは線形加速器によって真空中を走って正面の相手側の加速器に飛び込み、減速、方向転換して、元の加速器に戻ってくる。これを繰り返して、次第にイオンビームの粒子密度が増加してくる。

球形タンクの外皮は、いわゆるブランケットとする。加圧水ポンプで送り込まれた水は、高速中性子を減速・遮断し、熱交換して加熱され、別に設置した蒸気発生器に送られる。

イオンビーム用線形加速器セットを球形外皮に均等に配置して、イオンビームが立体的に、均等に分布するように設計する。多数のイオンビームを真空炉中心点（図２ ｂｂ）で交差させ、高速イオン群を正面衝突させる。衝突断面積の最適粒子速度の範囲であれば、イオンビームの数を増やすことにより、希望する核融合反応を発生させることができる。

通常の実験装置では、イオン源付き線形加速器は垂直に単独設置されている。しかし本発明を実施する場合は、第一ステップとして、線形加速器を地上に水平に寝かせて設置することを推薦する。例えば３対（６台）のときには、３台を一組とし、５度づつずらして、水平面上にハブ状に配置する。中心点に円筒を置き、６方向に長さ２０ｍのパイプを接続して、その先端に加速器を設置することになる。この段階で、イオンビーム集束器、ビームのセンター出し技術、イオン源の高出力化等の諸問題を別途解決しておく必要がある。

上述したように、本発明の動力用核融合炉は商業用発電プラントを設計の前提条件としたものである。使用するイオン源、線形加速器はともに１９３０年代から実験棟で使用されてきたもので、すでに研究され、技術的蓄積は大きい。その後さらに強力なサイクロトロン、シンクロトロン等の環状の円形加速器の出現により、表舞台から姿を消したが、動力用核融合炉の心臓部として、充分に使用に耐えるだけのシンプルにして、タフな優秀な加速器である。

本発明は、商業用発電プラントの動力用核融合炉を入手する第一歩となる。この融合炉の研究開発・普及は化石燃料枯渇という深刻な問題を解決するのに役立つ。

発明の実施するための最良の形態

以下、本発明の実施の形態を図１、図２に基づいて説明する。

図１において、球形核融合炉１ａは加圧水型の球形ボイラーのようなものである。球形圧力容器の外側に多数の線形加速器（イオン源付き）を栗のイガのように取り付けているのが、特徴である。概算寸法としては、連続定格１，０００，０００ｋｗ級の場合、球形の直径は約４０ｍとなる。

図２において、イオン源２ａの有力な励起方法として、高周波励起方式がある。初期には真空管発振器を使用したが、現在は電子レンジ用として大量生産されている強力なマグネトロンを使用することができる。これによりコスト低減と信頼性の向上を図ることができる。

図２において、イオン源２ａから飛び出した Ｄ・Ｔ陽イオンは線形加速器２ｂにより加速されて融合炉の中心点に向かって射出される。通過した陽イオンは正対する線形加速器２ｄに飛び込み、折り返してのち加速される。このように往復を繰り返して、イオンビーム２ｅはその密度が飛躍的に増加してくる。

図２において、数千本のイオンビームを球形核融合炉１ａの中心の１点に集中し、イオンビームボールｂｂを形成する。高速イオンの衝突断面積を増やすため、隣り合ったイオンビームの交差角度は５度以下が望ましい。このイオンビームボールのエネルギーレベルが閾値を超えると核融合が発生する。核融合によって発生した高速中性子、熱線等が放射される。

イオンビームの粒子数がいかに多くても、エネルギー不足では核反応は生じない。これに対して、シンクロトロンのように粒子のエネルギーを極端に上げても、その数が激減しては、衝突断面積が桁違いに減少してしまう。長期間の安定運転に耐えうるシンプルな線形加速器の出力は、少し抑え目にして、２〜３ＭｅＶとする。これに合わせて往復イオンビームの集束器を設計しなければならない。衝突させるイオンビームの数を増加させれば、当然のことながら、衝突断面積が増加する。

図２において、線形加速器（２ｂ、２ｄその他）の駆動用電源は共通電源とする。絶縁電線を渡り線として使用するので、核融合炉としては、本番・予備の２セットを設置すれば充分である。高電圧直流発生装置にはコックロフト・ウォルトン（整流器）方式を使用する。

図１の球形核融合炉１ａの球形圧力容器の内部を真空に保つための真空排気装置を設置し、漏洩ガス、未燃焼ガス、副産物等の回収を行う。

図１の球形核融合炉１ａの外殻（ブランケット）の加圧水にリチュウムを混入させ、核融合反応で生じた高速中性子と核反応させて、主要な燃料である三重水素を得ることができる。

図１において、融合炉によって加熱された圧力水は蒸気発生器１ｂにて水：水の熱交換をする。発生した蒸気は蒸気タービン１ｄを回し、直結した発電機１ｅを駆動する。

本発明の実施は、化石燃料の代替エネルギー源の有力候補である重水素・三重水素核融合発電を実現する第一歩となる。

本発明の実施形態を示す設備ブロック図 同イオンビーム、イオンビームボール等の構成図

符号の説明

１ａ 球形核融合炉
１ｂ 蒸気発生器
１ｃ 圧力水循環ポンプ
１ｄ 蒸気タービン
１ｅ 発電機
２ａ・２ｃ イオン源
２ｂ・２ｄ 線形加速器
２ｅ イオンビーム
２ｆ・２ｇ イオンビーム集束器
ｂｂ イオンビームボール
ＢＬ 圧力容器（ブランケット）

Claims (2)

1. イオン源付きの線形加速器を正対させた、いわゆるタンデム方式の線形加速器陽イオンビーム発生システム。
2. 球面に均等に配置した数千台の線形加速器から発生した高速・高密度イオンビームを球形圧力容器の中心点で、交差させて、核融合反応を発生させること。

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