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D-D反応核融合発電装置  


主旨・概要

新たに特許申請した「プラズマ加熱装置」を使用することにより容易にローソン条件を達成し、D-T反応やD-D反応核融合を起こすことができる。そのためこの装置を使用したD-D反応核融合発電装置を提案する。この「電子ビーム照射によるプラズマ加熱実験」は既存の技術で製作が可能であり、全額当方の負担で実験装置を製作し、加熱実験を行っていただける方を募集します。また疑問点や改良点をご指摘いただいた方々には感謝の意を込めてそれぞれ金十万円を進呈します。

<電子ビーム照射によるプラズマ加熱装置>

マイナスに帯電した壁に囲まれた密閉空間に水素、重水素、ヘリウムガスなどの小さく軽いガスを閉じ込め、この空間に電子ビーム照射を行うことによりプラズマ化するとともにこれを加熱し、極めて高温にする実験装置を提案する

<装置の概要>

@ 内面をAINなどの絶縁体膜によって覆われたトーラスなどの循環型の管状導体を高圧電源の印加によってマイナスに帯電させる。

A 照射する電子ビームは500mAの1keVから50keV程度であり、連続照射を可能とする。電子ビーム照射装置からはマイナス帯電密閉容器に斜めに開けられた小孔を通って密閉容器内のガスに向けて接線方向に電子ビームが照射される。

B マイナス帯電密閉容器電圧は照射電子ビームが絶縁体膜に到達しないよう、電子ビーム強度より高い電圧にコントロールされる。

C そのため電極面の電場によって反射した電子ビームは他の電極面の間を頻回に反射を繰り返すことになるが入射した小孔の方向には向かず、すべての電子ビームエネルギーはガスのプラズマ化や輻射熱を含む熱エネルギーに変換される。

D 電子ビーム照射装置は密閉容器の外部にある真空チェンバーに接続して設置されている。

E その密閉容器内には外部から小孔を通してガスが送りこめ、また電子ビームが照射できるように通路となる帯電壁及び絶縁体膜からなる管が設置されている。

F またこのガスが真空部に漏れ出さないように電子ビーム照射用通路の先には帯電壁及び絶縁体膜からなるシャッターが取り付けられ、このシャッターは電子ビーム照射時のみ開閉するようになっている。

G 温度測定用X線カメラは電子ビーム照射用小孔を覗き込める位置に配置されており重水素ガス収納器内で発生するX線を捕え、観測できるようになっている。

H さらに核融合反応が発生した場合に中性子線を観測できるよう中性子測定器も装置壁に取り付けられている。

I この密閉容器は循環する純水によって過熱時に外部から冷却可能になっている。

<プラズマ閉じ込め機能>

高温化に伴いプラズマ化した水素などのガスは収納容器外に飛び出そうとするが密閉容器はマイナス帯電するように印加されており、その陰極の内面は小孔部を含め絶縁体膜(強誘電体)で覆われている。そのためプラズマ化したガスの陽子などの軽い陽イオンは陰極に引き寄せられ絶縁体膜の内部に侵入することになるがその速度によりそれぞれ一定の飛程で停止するブラッグピーク(注1)を形成しその部分の絶縁体基質を集中的に電離し二次電子を放出させる。そのため十分なガスがあれば低電圧での電子ビーム照射により絶縁膜から浅い位置に絶縁体を構成する原子からなる重い陽イオン層を作ることができる。つまり二次電子は密閉容器のマイナス電場により絶縁体から離れるが陽イオンは引き付けられて絶縁膜の表面付近にとどまる。この陽イオン層は電場の遮蔽効果を持つが絶縁膜には高い陰電場が掛かっていることにより電子ビームが到達せず絶縁膜が加熱されることがないようにできる。(注2)しかもこのプラズマ化により生成された陽子などの軽い陽イオンは絶縁膜に侵入するため密閉容器の内部には電子しか残らなくなり、この余剰電子はシャッターを開放することにより密閉容器の陰電場に押されて小孔から排出されアースする。しかしその後新たに追加された重水素ガスはさらに高電圧で加速された電子ビームが照射されることにより加熱される。
その結果、超高速となった陽子などはマイナスに帯電した密閉容器壁に向かい絶縁体膜に再び侵入するが表面付近にすでに形成されている重い陽イオン層に弾性衝突して跳ね返され(ラザフォード散乱)、ほとんど運動量や運動エネルギーを失うことなく再び密閉容器の中央部に向かうことになる。このようにして継続した電子ビーム照射により密閉容器中央部の陽子などは極めて高温にすることができる。この時、制動輻射熱や陽子などの密閉容器壁への衝突による密閉容器への熱伝導が発生するので容器の過加熱によりこれが破損しないようこれを水で冷却する必要があるがこの水は絶縁体である純水を使用する。

<水素・重水素ガスの加熱過程>

水素ガスの密度は1気圧、21℃では0.052kg/m3であるが、重水素ガスであればこの2倍程度になるので30℃の場合、約0.1kg/m3=0.1mg/cm3と仮定する。
密閉容器は小円半径0.5cm、大円の円周を40cmとするとその体積は約31.4cm3である。1/100,000気圧の水素ガスの密度は約5.0×10-7mg/cm3であり,重水素ガスの密度は1.0×10-6mg/cm3となる。またそのガスの重さはそれぞれ0.1mg×31.4×1/100,000=0.0000314mg及び0.0000628mgでありこれらはいずれも1.57×10−8モルである。この水素ガスや重水素ガスの電離に必要なエネルギーは1モルあたり電離には1312kJ(注3)、基底状態原子には218kJ必要なので計0.24Jである。そのためこの電離を1keV×500mA=500Wの電子ビーム照射により行うとすれば0.000048秒かかり、さらにこの電離した水素ガス(陽子)を1.0keVまで加熱するには1.0eV×1000×1.6×10-19J×1.57×10-7モル×6.0×1023(アボガドロ定数)×2≒3Jのエネルギーが必要であるが出力500Wの電子ビーム照射エネルギーのロスなくすべてがこの加熱に変換できると仮定すると0.006秒かかる。
初め密閉容器には例えば1/100気圧程度の水素ガスを封入し、500Wで十分な時間(6秒程度)の照射を続けて小孔からシャッター部への絶縁体管を含む絶縁膜表面付近の陽イオン層(注4)を形成する。この時の密閉容器マイナス帯電の電圧は1000V以上程度にする。
次に1/100,000気圧の水素や重水素ガスを追加投入し、マイナス帯電電圧を5万V以上に上げるとともにこのプラズマを50keV,500mAの出力25kWの電子ビーム照射により加熱すれば超高温にできる。ちなみに1カロリーは4.2ジュールなので25kWがすべて熱に変換されると仮定しても毎秒1000ccの水を6℃上げることができる程度なので水流での冷却によって密閉容器が破損しないようにできると考えられる。
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密閉容器の熱伝導率が高く、冷却により高熱に耐えられるとすれば、例えば5億度である50keVにするにはさらに0.006秒かかる計算になる。なお5億度でのプラズマ圧力は500,000,000K÷300K÷100,000気圧より約17気圧になる。

制動輻射熱は(注5)より、イオン密度が1.2g/cm3の場合の試算では供給エネルギーと放射エネルギーが同等になるのは1000万度では1010W程度になる。しかし密度が低下すればそれに比例して同等となるエネルギーが低下するためガス体積が水の1.8×109倍になれば
10W程度になり、5億度でも500W程度になる。そのため出力500Wで密閉容器の内面にある絶縁体膜に陽イオン層を形成する過程ではプラズマが消失するため制動輻射ロスは殆どなく、その後に25kWでプラズマ温度を5億度に加熱する過程においても制動輻射ロス以上の加熱エネルギーが得られることがわかる。

<イオン密度計算>

1/100,000気圧の重水素ガス密度は上記のように1.0×10-6mg/cm3と仮定した。重水素原子1モルは2gであり、アボガドロ定数は6×1023/molなのでこのイオン数密度は3×1014/cm3になる。そのため5億度の継続時間が5秒程度あればローソン条件を達成することができる。(注6)

<核融合反応の継続>

D-D反応核融合が起きればその結果としてトリチウムやHe-3、He-4の原子核が生成され、これらの粒子も密閉容器絶縁膜の重い陽イオン層によってあまり運動量を失うことなく容器内に跳ね返される。そのため重水素ガスが継続的に供給されれば生成粒子によるプラズマ加熱により、電子ビーム照射が無くてもD-D反応の自己点火が継続する。なおこの核融合反応によって密閉容器内には次第にプラズマ化したヘリウムが蓄積される。電子ビーム照射中は照射電子のクーロン力に押されて密閉容器内に電子が閉じ込められ、ヘリウムなどの陽イオンは陰電場に引き寄せられるためイオンの排出は困難である。しかし電子ビーム照射を終了後に重水素ガスの供給を一旦停止しシャッター部を開放すれば管を通してこの電子とヘリウムイオンからなるプラズマを密閉容器から排出することができる。

注1:https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%96%E3%83%A9%E3%83%83%E3%82%B0%E6%9B%B2%E7%B7%9A

注2:https://www.hitachihyoron.com/jp/archive/2010s/2018/06/11b06/index.html?WT.mc_id=ksearch

注3:https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%A4%E3%82%AA%E3%83%B3%E5%8C%96%E3%82%A8%E3%83%8D%E3%83%AB%E3%82%AE%E3%83%BC

注4:https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%A4%E3%82%AA%E3%83%B3%E5%8C%96%E3%82%A8%E3%83%8D%E3%83%AB%E3%82%AE%E3%83%BC
第1イオン化エネルギーは酸素原子の場合1313,9kJ/mol,炭素では1086.5kJ/mol,ケイ素では786.5kJ/molとなる

注5:制動放射熱の試算

注6:http://rokamoto.sakura.ne.jp/education/nuclearpower/nuclear-fusion-text.pdf#search='%E6%A0%B8%E8%9E%8D%E5%90%88%E5%85%A5%E9%96%80'
図3より

<D-D反応核融合発電装置の発電量及び構造概要>

当方の製作費用負担などの対象ではないが参考のため発電装置の案を提示しておく。
海水の水素には0.015パーセントの重水素が含まれ、これをD-D反応核融合させれば海水1Lでは石油76L分に相当するとされている。海水1L中の水素量は111gなので重水素は0.017gであり、つまり17mgで石油76Lに相当する。石油1Lは38MJのエネルギーを発生する。そのため例えば実験装置のように500mA,50keVの25kWの電子ビーム照射により1/100,000気圧の重水素ガスを5億℃にして自己点火させた後に電子ビーム照射を停止し、17気圧以上で毎秒0.000628mgの重水素ガスを投入して燃焼させた場合の発生エネルギーは約1,000kWとなる。なお発電用の密閉容器の場合は電子ビーム照射用管とは別に発生するヘリウムを排出する管を設置し投入重水素ガスとバランスさせることによりプラズマ密度やプラズマ圧力を一定に保ち、制動輻射熱が増大しないようにできる。
またこの装置の密閉容器はトーラス型だけではなく管の両端が接続した環状の構造であればよいので細長い管状にすることができる。そのためより多量の重水素ガスを燃料として核融合反応させ、多量の熱が発生する装置でも大量の水による冷却によってこの装置を作動させ続けることができる。例えば径が2cm、長さが40mの折りたたんだ構造の密閉容器であれば冷却水の流量が十分あるときにはカスケードアーク放電やホローカソードプラズマ源を用いた電子銃による50A 、50keVの 2,500kWの大電流電子ビーム照射装置を使用すれば同じ5秒程度で実験の場合の100倍の重水素ガスを自己点火状態にさせることができる。その条件下で17気圧以上の重水素ガス0.0628mgを燃焼させれば発生エネルギーは約10,000kWになると予想される。この冷却水は17気圧以上の高圧にするので200度でも沸騰しないようにでき、蒸気タービンによって発電した後、海水などの冷却により水に戻して装置内に循環させる。つまりこのタービンの発電効率が30パーセントと仮定すると発電量は約3000KWになる。なおこの場合の冷却水は20℃から200℃に上昇させるため10,000kWの発熱を吸収させるためには毎秒約13.2Lの流量が必要になる。さらに自己点火後に第2,第3の密閉容器に高温プラズマや重水素ガスを流入させて全体の核融合反応容器を大きくできる構造にすればさらに大きな発電量の装置にすることもできる。
また核融合反応の結果発生する中性子線は冷却水の壁によって遮蔽が可能である。

<制動放射熱の試算>
<プラズマ加熱装置 出願番号 特願2020-99307号>


  出願特許の内容



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 宮城県仙台市太白区茂庭字人来田西8−13
 杜都千愛病院 内 理事長 安ヵ川  誠
TEL
 022−281−0033
FAX
 022−281−0585
E-MAIL  rijityou@midorijuji.or.jp

 

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