JP2007163393A - 反跳リチウム化学核融合エネルギー発生法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】原子質量単位あたり数キロ電子ボルトのエネルギーの重陽子又は陽子ビームを溶融金属リチウムの液体標的に注入する化学核融合反応では、液体中の熱力学的力によって反応レートが１０10倍以上増進するが、該液体標的中で水素化リチウムを生成する化学反応が競合して発生するため金属リチウムが劣化し核融合増進効果が減殺される。
【解決手段】競合する化学反応を排除するため、反応槽内面を金属リチウムやボロンまたはこれらの化合物等の中性子吸収材１１で覆い、反応槽内の放電で生じた不活性ガスのイオン又は軽重水素との分子イオン１０を溶融金属リチウムを主体とする核融合物質からなる液体標的４に注入し、液体標的４内で原子質量単位あたり数キロ電子ボルトのエネルギーの反跳イオンを発生させ、競合化学反応を誘発することなく反跳イオンと液体標的物質の原子との間で熱力学的力によって反跳リチウム化学核融合反応を誘発させる。
【選択図】図１
【解決手段】競合する化学反応を排除するため、反応槽内面を金属リチウムやボロンまたはこれらの化合物等の中性子吸収材１１で覆い、反応槽内の放電で生じた不活性ガスのイオン又は軽重水素との分子イオン１０を溶融金属リチウムを主体とする核融合物質からなる液体標的４に注入し、液体標的４内で原子質量単位あたり数キロ電子ボルトのエネルギーの反跳イオンを発生させ、競合化学反応を誘発することなく反跳イオンと液体標的物質の原子との間で熱力学的力によって反跳リチウム化学核融合反応を誘発させる。
【選択図】図１
Description
本発明は反跳リチウム化学核融合エネルギー発生法及び装置、特に、溶融金属リチウムを主体とする核融合物質からなる液体を標的とし、イオン注入で生ずる標的中の反跳イオンが誘発する反跳リチウム化学核融合エネルギー発生法及び装置に関するものである。
現在実用レベルの核融合はまだ実現していない。このようなことから本発明者は、特許文献１（無反跳非熱核融合反応生成方法及び無反跳熱エネルギー発生装置）、特許文献２（溶融リチウム核融合反応発生方法及び核融合エネルギー供給装置）、特許文献３（非熱核融合発電方法および非熱核融合発電装置）、特許文献４（核融合反応装置）、特許文献５（溶融リチウム核融合反応生成方法及び溶融リチウム核融合エネルギー発生装置）、特許文献６（増進核融合発生方法及び増進核融合エネルギー発生装置）を発明した。
また、これらの発明の熱力学第二法則に立脚した理論は非特許文献１に、又この理論の実験的検証は非特許文献２の中のＮｏ．３および非特許文献３に開示されている。これらの文献では既存の手段によって実用レベルの非熱核融合の達成が可能であり、これを利用したエネルギー装置の構成例が示されている。
特開２００３−２７０３７２号公報
特開２００２−２０７０９２号公報
特開２００３−０６６１７６号公報
特開２００３−１３０９７６号公報
特開２００３−１３０９７７号公報
特開２００５−０４９２４６号公報
Japan Journal of Applied Physics 40，6092 ( 2001 ) 池上栄胤 著
Bulletin of Institute of Chemistry, Uppsala University, September 2002 池上栄胤 他著，http：／／www．inst．kemi．uu．se／Bulletin／Bulletinen_1．pdf
Progress of Theoretical Physics Supplement 154．251 (2004) 池上栄胤 他著
前記各文献では、実用化する上で完全解決していない次の課題がある。即ち、前記各文献には核子あたり１０（キロ電子ボルト）程度あるいはそれ以下のエネルギーの重陽子または陽子ビームを溶融金属リチウムを主体とする液体標的に注入し、該液体中の熱力学的力によって核融合レートを１０10倍以上増進する化学核融合反応と呼ばれるようになった新原理の核融合方法が開示されているが、該液体金属リチウム中で化学核融合反応と競合する化学反応が水素化リチウムを生成して溶融金属リチウムの液体活性が劣化し化学核融合反応の増進度が減殺される。
ここで言う熱力学的力とは吸着時間の延長効果や溶液中の自発性化学反応の増進効果で顕在化してくる反応媒体特有の集団的ダイナミクスのことである。
注入イオンは衝突点で液体標的中の原子と融合原子を形成するが、融合原子内では、衝突原子核同志がｐｍ（ピコメートルすなわち１０-12ｍ）以内の極小空間に閉じ込められ数ｋｅＶの零点エネルギーで超高密度の相互作用をなし、トンネル効果による核反応を誘発する可能性が生ずる。該融合原子形成の原子反応で放出される化学エネルギー（Ｇｉｂｂｓエネルギーと呼ぶ）が大きい場合は、融合原子形成の寿命が後述する莫大な増進因子で延長される。その結果、相互作用をしている原子核の閉じ込め時間も延長され、その因子で核反応レートも増大するのである。
このような機構で、太陽内部の熱核融合プラズマ密度の１００万倍に相当する超高密度の白色矮星や超新星でおこっている核融合を地上で実現したのが化学核融合である。
そこで、本発明の課題は、化学核融合反応と競合する化学反応を排除して、リチウムの完全な金属性を保証することにより、注入イオンの殆どがリチウム化学核融合を誘発する実用可能な化学核融合反応発生法および化学核融合エネルギー発生装置を提供することにある。
本発明の反跳リチウム化学核融合エネルギー発生法は、内面を金属リチウムやボロンまたはリチウムやボロンの化合物等の中性子吸収材で覆った反応槽内の放電で生じた不活性ガスまたは軽重水素のイオン、あるいは分子イオンを溶融金属リチウムを主体とする核融合物質からなる液体標的に注入して核的阻止能領域である原子質量単位あたり数キロ電子ボルトのエネルギーの反跳イオンを発生し、反跳イオンと標的の原子との間で、上記液体標的内の熱力学的力によって化学核融合反応を誘発させ、上記核融合で放出される低速中性子により上記中性子吸収材および上記液体標的に二次核反応を誘発せしめることを特徴とする。
また、本発明の反跳リチウム化学核融合エネルギー発生装置は、正または負の原子イオンあるいは分子イオンを生成する手段および溶融金属リチウムを主体とする核融合物質からなる液体標的と、内面を金属リチウムやボロンまたはリチウムやボロンの化合物等の中性子吸収材で覆った、上記液体標的を囲む反応槽と、上記イオンを、核的阻止能領域である原子質量単位あたり数キロ電子ボルトのエネルギーの反跳イオンを発生するような速度に加速して上記液体標的に注入する手段とよりなり、反跳イオンと標的の原子との間で、上記液体標的内の熱力学的力によって化学核融合反応を誘発させ、上記核融合で放出される低速中性子により上記中性子吸収材および上記液体標的に二次核反応を誘発せしめることを特徴とする。
また、本発明においては、上記液体標的に金属リチウム以外の化学核融合反応誘発物質が混入されていることを特徴とする。
また、本発明においては、上記液体標的を撹拌または流動させるかあるいは上記液体標的に標的温度調整物質を混入することを特徴とする。
本発明によれば、核融合反応の主体は殆ど金属リチウムであるからクリーンな真空中で溶融金属リチウムまたはリチウム合金等の核融合物質からなる液体標的に不活性ガス又は軽重水素との混合ガスのイオンを加速して注入して生じた反跳イオンを液体標的の原子と反応させ、液体中の熱力学的力によってリチウム化学核融合反応を増進させることができる。そのため安全かつ安定したエネルギー供給ができ、その取扱いも容易で簡便である。
（本発明の理論的根拠）
一般に注入イオンは液体標的物質の原子と衝突を繰り返すが、加速エネルギーの多くの部分は一次衝突の標的原子に反跳エネルギーの形で移行する。注入イオンおよび標的物質の原子の質量をそれぞれｍi，ｍtとし、イオンの注入エネルギーをＥ0とすると反跳エネルギーＥｒは運動量とエネルギーの保存則により決まり、数１で表わされる。
一例としてアルゴン40Ａのイオンが標的物質の原子の7Ｌｉに衝突した場合はＥｒ＝０．５１Ｅ0となる。二次以降の衝突における反跳エネルギーは注入アルゴンのエネルギーの１／４以下と小さいから衝突エネルギーの減少で指数函数的に反応確率が減少する核融合反応では二次以降の衝突で生じた反跳リチウム原子が誘発する寄与は無視できる。
化学核融合反応と同様のメカニズムは、宇宙物理学者が超高密度の白色矮星や超新星爆発前に発生していると考えている零点振動核反応（ pycnonuclear reaction ）以外には、前記非特許文献１以前は理論的にも実験的にも報告例が全くない。一方常温核融合は液体活性の存在しない固体中の水素−水素核融合でありガスプラズマ中の水素−水素核融合と同様の水素−水素核融合であって化学核融合とは無縁である事はいうまでもない。
ここでは化学核融合反応のうち、本発明の反跳リチウム化学核融合反応を数２の核融合反応を例にとり詳述する。
ここで12Ｃ*と8Ｂｅ*は反応中間生成励起核で、２０．９０ＭｅＶは反応発生エネルギーであり、単位ＭｅＶは１００万電子ボルトである。
この場合の発生エネルギーは全て生成ヘリウム原子4Ｈｅイオン（アルファ線）の運動エネルギーの形で放出される。この反応では、反跳6Ｌｉイオンエネルギーが４０ｋｅＶ（キロ電子ボルト）の場合、核融合反応レートに比例するクーロン障壁の貫通因子は４．３×１０-48と小さく通常の観測手段では不可能なほどに反応確率は小さい。しかし、このエネルギー領域では数２の核融合反応に以下に示す数３の原子変換反応が附随的に発生する。
このため溶融金属リチウムの核融合反応数２では数３の原子変換反応におけるＧｉｂｂｓエネルギー変化ΔＧｒ＝−４．７ｅＶと液体標的温度Ｔで決まる熱力学的力による数４で示す莫大な値の反応増進因子が期待される。
ここでｋBはボルツマン（Boltzmann）常数であり、原子変換反応数３におけるＧｉｂｂｓエネルギー変化ΔＧｒはリチウムと炭素それぞれの生成エネルギーＧｆから数５によって算出される。
例えば金属リチウムの融点に近い絶対温度Ｔ＝４６０Ｋ（ケルビン）ではｋBＴ＝０．０４０ｅＶで数４で示す増進因子の値は１０51に達する。そのため核融合反応数２は、原子変換反応数３を通じて前記の微細な貫通因子を相殺する大きなレートで発生する。さらに、原子変換反応数３の中間生成原子の炭素が、リチウムと約２．０ｅＶのエネルギーで結合する可能性を考慮するとＧｉｂｂｓエネルギー変化の数５の値は−６．７ｅＶとなり、増進因子は１０72にもなり得る。
このように前記熱力学的力が、核融合反応をも支配することは前述の特許文献１で議論され、それによる核融合反応レート増進効果が核反応で発生したアルファ線（ヘリウムイオン）の観測で確認されており、上記非特許文献２及び３に開示されている。
例えば、金属リチウムの融点における加速エネルギー１０ｋｅＶ（キロ電子ボルト）及び２０ｋｅＶの重水素原子分子混合イオン注入で、それぞれ１０14倍、１０12倍程度の核融合反応レートの増進が観測されている。
液体標的が濃縮6Ｌｉではない天然リチウムでは、7Ｌｉの存在比率が９３％で、数２の核融合反応と共に数６及び数７に示す核融合反応が発生する。
ここでｎは低速中性子である。
核融合で放出された低速中性子は、前記特許文献１で解説されているように金属リチウムまたはボロン或いはリチウム、ボロン化合物等の中性子吸収材および前記液体標的リチウムに吸収されるので、この二次核反応もエネルギーを発生する。これらの核融合反応と二次核反応はイオンの注入中止あるいは反応に伴う標的温度上昇で即座に停止するので、容易にエネルギー発生の制御が可能であり、使用しないときにはエネルギー及び放射線の放出がないため、利用上の制限が少なく取り扱い易いエネルギー源を提供することが可能である。
溶融リチウム標的に物質Ｘを混入して、リチウムを溶融合金にすると、反跳リチウムイオンが誘発する核融合反応には次の数８に示される原子変換が連動して発生する。この場合の変換前後のＧｉｂｂｓエネルギー変化は次の数９に示されるようになる。
上記数５と数９に示されるＧｉｂｂｓエネルギー変化の間に次の数１０が成立する。
この関係が成立する場合は、化学核融合反応の増進度が次の数１１に示すように向上するが、上記原子変換反応数８で生成した炭素の中間生成励起核は１０-18秒以内にヘリウムに分裂するので、遊離したＸは消失することなく再びリチウムと合金化する。つまりこの物質Ｘは触媒としての機能をもつことになる。
具体例の一つとして、ボロンを触媒Ｘとしてリチウムに混入する場合を考える。
ボロンは３００℃以下でリチウムと化合はせず、リチウム中に溶けて金属性を持つようになり合金化する。リチウム−ボロン合金の化学核融合反応の場合の数９で示されるＧｉｂｂｓエネルギー変化はリチウム単体の場合の数５に示される値より２ｅＶ程度絶対値が増加し、上記数８に示される原子変換反応の増進度は数３に示される原子変換反応に比べ１０20倍以上大きくなる。これにともなって化学核融合反応の増進度も同じ倍数だけ大幅に増大する。反跳Ｌｉイオンが分子イオンの場合はＣＸの役をするＣ2が発生し自己触媒効果がある。
次に注入イオンに混合イオンが存在する場合を考える。一例として、不活性ガスのヘリウムに重水素が混入していると複合イオンＨｅＤ+が発生し、液体標的リチウム中で、反跳リチウムによる反応とあわせて数１２に示される分子変換反応を誘発する。
この反応のＧｉｂｂｓエネルギー変化は−５．１１ｅＶと著しいので、反応増進因子は１０56倍にもなるから同イオンの重陽子は全て7Ｌｉ又は6Ｌｉと化学核融合反応をおこす。したがって、この場合は不活性ガスに重水素が混入していても標的中の溶融金属リチウムが重水素との化学反応で劣化することは避けられる。また核融合生成物はリチウム化学核融合反応の場合と同様にヘリウムのみである。
以下図面によって本発明の反跳リチウム化学核融合エネルギー発生法及び装置を説明する。
図１は本発明反跳リチウム化学核融合エネルギー発生装置の反応装置本体１の一例としての８連ＰＩＧ型イオン源装着の概略構造図であって溶融金属リチウム容器２、ＰＩＧ型イオン源３、溶融金属リチウム又は同合金を主体とする核融合物質からなる液体標的４、撹拌器５、イオン加速電極６、イオン源の磁極カソード７、永久磁石８、イオン源アノード９、イオンビーム１０、容器２の内面を覆った金属リチウムやボロンまたはリチウムやボロンの化合物等の中性子吸収材１１及び蒸気発生熱交換器１２の各構成要素で構成されている。ただし、溶融金属リチウム予備加熱システムや補助的エネルギー取り出しの熱電対列等の機器類や高圧電源は省略している。
イオン源３はアルゴン、ネオン、ヘリウム等の不活性ガスあるいは軽重水素との混合ガスのＰＩＧ型のイオン源を並列に集積した構造をしており、ここから引き出したイオンビーム１０は加速電極６で所定のエネルギー（後述する核的阻止能領域である原子質量単位あたり数キロ電子ボルトのエネルギーの反跳イオンを発生するような大きさ、例えば数１０ｋｅＶ）に加速し、液体標的４の溶融金属リチウム又はリチウム合金に注入し、反跳リチウムイオンを発生せしめる。その結果、熱力学的力によって大部分の反跳リチウムイオンが溶融金属リチウム表層で核融合反応を誘発し、数ＭｅＶの放出エネルギーのヘリウムイオンを発生する。ヘリウムイオンで加熱されたリチウム又はリチウム合金からの熱エネルギーは熱電対列或いは液体リチウム等の反応装置冷却用冷媒を通じて取り出す。
本発明では反応生成物がヘリウムであるので、ヘリウム回収システムにより取り出して有効利用することができ放射性廃棄物は生じない。
上記実施例によれば、不活性ガスイオンをクリーンな真空中の標的金属リチウムに導入することができ、イオン源のガス圧及び印加電圧の調整でイオンビーム強度も加速エネルギーと同様に自由に制御できる。この結果、発電あるいは地域暖房等の目的に応じて、最適エネルギー発生量が得られ、利用上の制限が少なく安全且つ安定なエネルギー源を提供することができる。
本発明ではイオン源３を導入するかわりに反応装置本体１内の空間を稀薄ガスで満たし、イオン加速電極６と溶融リチウムを主体とする液体標的４の間に高電圧パルスを印加してガスのイオン化と加速を同時に達成することもできる。
なお、上記容器２の内壁面は更にガンマ線遮蔽材で覆うようにしても良い。
また、上記液体標的には金属リチウム以外の化学核融合反応誘発物質または標的温度制御物質を混入しても良い。
１ 反跳リチウム化学核融合エネルギー発生装置の反応装置本体
２ 溶融金属リチウム容器
３ ＰＩＧ型イオン源
４ 液体標的
５ 撹拌器
６ イオン加速電極
７ 磁極カソード
８ 永久磁石
９ アノード
１０ イオンビーム
１１ 中性子吸収材
１２ 蒸気発生熱交換器
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１２ 蒸気発生熱交換器
Claims (9)
- 内面を金属リチウムやボロンまたはリチウムやボロンの化合物等の中性子吸収材で覆った反応槽内の放電で生じた不活性ガスまたは軽重水素のイオン、あるいは分子イオンを溶融金属リチウムを主体とする核融合物質からなる液体標的に注入して核的阻止能領域である原子質量単位あたり数キロ電子ボルトのエネルギーの反跳イオンを発生し、反跳イオンと標的の原子との間で、上記液体標的内の熱力学的力によって化学核融合反応を誘発させ、上記核融合で放出される低速中性子により上記中性子吸収材および上記液体標的に二次核反応を誘発せしめることを特徴とする反跳リチウム化学核融合エネルギー発生法。
- 上記液体標的に金属リチウム以外の化学核融合反応誘発物質を混入することを特徴とする請求項１記載の反跳リチウム化学核融合エネルギー発生法。
- 上記液体標的表面の局所的温度上昇を抑えるため液体標的を撹拌または流動させることを特徴とする請求項１記載の反跳リチウム化学核融合エネルギー発生法。
- 上記液体標的表面の局所的温度上昇を抑えるため上記液体標的に温度制御物質を混入することを特徴とする請求項１記載の反跳リチウム化学核融合エネルギー発生法。
- 正または負の原子イオンあるいは分子イオンを生成する手段および溶融金属リチウムを主体とする核融合物質からなる液体標的と、内面を金属リチウムやボロンまたはリチウムやボロンの化合物等の中性子吸収材で覆った、上記液体標的を囲む反応槽と、上記イオンを、核的阻止能領域である原子質量単位あたり数キロ電子ボルトのエネルギーの反跳イオンを発生するような速度に加速して上記液体標的に注入する手段とよりなり、反跳イオンと標的の原子との間で、上記液体標的内の熱力学的力によって化学核融合反応を誘発させ、上記核融合で放出される低速中性子により上記中性子吸収材および上記液体標的に二次核反応を誘発せしめることを特徴とする反跳リチウム化学核融合エネルギー発生装置。
- 上記反応槽の内面を更にガンマ線遮蔽材で覆ったことを特徴とする請求項５記載の反跳リチウム化学核融合エネルギー発生装置。
- 上記液体標的に金属リチウム以外の化学核融合反応誘発物質が混入されていることを特徴とする請求項５または６記載の反跳リチウム化学核融合エネルギー発生装置。
- 上記液体標的表面の局所的温度上昇を抑えるため液体標的を撹拌または流動させることを特徴とする請求項５、６または７記載の反跳リチウム化学核融合エネルギー発生装置。
- 上記液体標的表面の局所的温度上昇を抑えるため上記液体標的に温度制御物質が混入されていることを特徴とする請求項５、６または７記載の反跳リチウム化学核融合エネルギー発生装置。
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2005
- 2005-12-16 JP JP2005362652A patent/JP2007163393A/ja active Pending
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