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HOME > 改良型酸水素ガス核融合発電装置 


 


<目的>

夢のエネルギーといわれながら技術的問題からいまだに実現していない核融合発電を可能にするため従来型より小型化でき、しかも製作が容易な新しい方式の装置を提案する。なおこの装置による発電が可能もしくは不可能なことを実証した方には金1億円を進呈する。またコンピューターシミュレーションによる核融合反応実験を受託研究として行っていただける方を募集する。

<原理>

二重水素と三重水素を核融合させる臨界プラズマ条件は温度1億度以上、密度100兆個/cm,で1秒間以上の閉じ込めが必要とされている。
酸水素ガスを燃焼させればプラズマ状態になり理想気体とみなせるのでボイルシャルルの法則により圧力×体積=一定なので圧縮気圧に比例して密度を増加させることができる。つまり1気圧での水素分子の密度は1cm当たり0.00009gより、この水素プラズマは0.00009g×圧縮気圧の密度にすることができる。すなわち1モルの水素分子は2gでありアボガドロ数が6×10であるので1gの水素分子の分子数は6×10÷2である。しかし水素分子1個より2個のプラズマ粒子ができるので、1000気圧の場合の水素プラズマ0.09gの個数密度は2×0.09×6×10÷2=5.4×10=5.4×10×百兆個である。従って実際に核融合反応に関与させる水素分子がごく少量だとしても密度条件は十分に満たしている。
また酸水素ガスの燃焼温度は常圧で2,000〜3,000Cになりプラズマ状態になるが、高圧での圧縮によりさらに高温になる。またこの火炎に高エネルギー電子ビームを照射することによりプラズマ粒子を加熱することができ、十分な出力の加熱によって臨界プラズマや自己点火に必要な温度条件を満たすことができる。なおこの核融合反応に必要な温度はローソン図から解るように極めて高い密度の場合、1億度以下の温度でも良い。

更にこの燃焼は継続して行えるため核融合反応に必要な臨界プラズマ条件や自己点火条件を全て満たすことができ、この装置での核融合反応が可能になる。(Fig. 2)

<装置の概要(Fig.1)>

第1の収納容器(51)内に第1の高圧ポンプ(22)で二重水と三重水(以下重水と記載する)が1000気圧で圧封されており、この容器内には固体高分子電解質膜(24a)を使用した水電解セルが収納されている。またこの水電解セルのカソード極(26)(水素極)で発生した重水素ガスを一旦蓄えるためのタンク(28)があり、重水と膜構造で仕切られている。アノード極(25)(酸素極)の上方にも発生した酸素ガスを一旦蓄えるタンク(27の上部)がある。これらのタンクから第2の高圧容器(11)内の燃焼スペース内に重水素ガスが少し多い割合で混合された酸水素ガスとして噴射され、燃焼した後は重水に戻る。この酸水素ガスの燃焼により生じた熱プラズマには噴射口付近にある高エネルギー電子銃により、高出力の電子ビームが照射されプラズマ温度を上昇させる。第2の高圧容器内も重水で満たされており、酸水素ガス燃焼や重水素の核融合反応に伴って発生した発熱により高温となった重水は高圧パイプによって上方にある熱交換器(31)に運ばれ、冷やされた重水は再び第2の高圧容器(11)内に戻される。

この過程で余った酸素ガスや重水素ガス、発生したヘリウムガスなどは熱交換器の最上部にある排出弁から排出され、回収される。また重水素ガスの核融合で減少した重水はそれを補うため第1の高圧ポンプで高圧容器に送り込まれる。これらの高圧容器および高圧パイプは耐圧壁をできるだけ薄く出来るように細長い構造にするのが望ましい。

Fig. 1 Nuclear fusion generator

<装置の作動>

発生する重水素ガスや酸素ガスの量はファラデーの電気分解の法則により圧力に関わらないので第一の収納容器(51)の高水圧下では周囲の重水と膜で仕切られた空間に同じ高圧の重水素ガスを蓄え、またタンクの上部に酸素ガスを集めることができる。この1モルの重水の電気分解に必要なエネルギーは233kJとされているので18ccの水で2gの重水素ガスを生産でき核融合反応に利用できる。水素ガスの臨界点は臨界圧力1.3MPa.臨界温度33Kであり、酸素ガスの臨界点は臨界圧力5MPa,臨界温度154.6Kなので装置内ではこれらのガスは液体と気体の性質を併せ持つ超臨界流体になっている。これらを昇圧ポンプ(52a,b)で圧縮し一旦高圧タンク(53a,b)に蓄えたのちにそれを混合して高圧容器(11)内に噴射し電気スパークなどで着火すれば燃焼して高温のプラズマ状態になる。そのため高圧容器内でこの燃焼反応(table 1)が開始した超臨界流体は高温による圧縮係数の低下により周囲の重水の高圧で圧縮される。(Fig.3)   
 この燃焼は水素ガス2分子と酸素ガス1分子から水2分子を生成する分子数が減少する反応なのでこの超高圧では反応が加速する。従ってこの火炎内に核融合用の余剰の重水素ガスが例えば1パーセントあればそのプラズマ密度は5.4×10×百兆個になるので原子核の衝突によるD−T反応を引き起こすための密度条件を満たすことができる。(これらの反応に関与しない余った酸素ガスは酸素排出管(54)によって高圧容器内に排出される。)
また酸水素ガス噴射口付近にある高エネルギー電子加速器からは高出力の電子ビームが火炎の中心部に向けて照射され、そのエネルギーによってこの熱プラズマをさらに加熱してD-T反応の自己点火に必要な温度にする。この熱プラズマは周囲の水(重水)によって冷却させられるが高温の熱プラズマが次々と新たに補充され続けられることにより反応の場は維持される。そのため一旦、自己点火によるこの核融合反応が始まればその加熱により電子ビームの出力がさほど大きくなくても充分自己点火条件を満たすことが出来るようになる。
一部の重水は高圧容器から第一の収納容器に戻すことになる。この核融合反応によって発生する熱によって火炎周囲にある重水は高温になると共に第2の高圧容器の出口に向かった噴射圧によって熱交換器内に押し出し再び高圧容器内に循環させることができる。この重水の温度は燃焼させる酸水素ガスを発生させる量や三重水素の含有率を変えることによる核融合反応量によって調節ができる。
また燃焼スペースでは中性子が発生するのでこの第2の高圧容器の壁にリチウムが含まれていれば中性子線との反応によって希少な三重水素を生成し、補充できる。つまりこの三重水素ガスは上部の排出弁から酸素ガスとともに回収されるがその燃焼によって三重水になり、再び核融合反応に利用される。

この高温の重水は熱交換器によって外部の流体を加熱しこの高温の流体によってタービンを作動し発電できる。この電力の一部は重水の電気分解に使用されるが核融合反応によって得られるエネルギーの方は水素1グラムで石油8トンに匹敵するといわれるように電気分解に必要な電力や高エネルギー電子ビームの発生に必要な電力より遙かに大きいのでこの装置は強力な発電機になる。

Fig.2 Lawson veiw

Fig.3  Compression coefficient

Fig.4  Phase diagram of water Table 1  Combustion of hydrogen
<電力価格競争力>

核融合発電は従来の方式で実現したとしても装置の製造コストが高いため電力価格は原子力発電の2倍程度になると予想されている。そのため核融合の方が安全性が高い利点があるとしてもすぐに普及するのは困難であると考えられる。しかしこの方式の核融合発電装置は構造が簡単で製造コストが掛からないため、他の方式より遙かに安価に電力を供給できると見込まれる。
参考:http://gigazine.net/news/20071023_aist_beam/
従来の磁気閉じ込め式では加熱用高エネルギー粒子の入射は磁気により影響されるため一旦電気的に中性化した粒子にする必要があるがこの装置では磁気を使用しないため製造が安価な高エネルギー電子線をそのまま使用できる。さらに核融合反応の場である火炎は圧縮されて体積が小さく、またプラズマ密度が極めて高いため磁気閉じ込め式の希薄なプラズマに比べて高エネルギー電子の運動エネルギー吸収確率が高く効率的な加熱ができる。さらに火炎プラズマを透過した電子線は高圧容器内の水(重水)による吸収減速によって陽極になる対向壁に到達しないようにできる。また水中で核融合反応を起こすため発生する有害な高速中性子線を水で遮蔽でき、従来型よりさらに安全性が高い。

<文献及び資料>

1) 資料提供 日本原子力研究所 那珂研究所
2) 環境省 地球温暖化対策技術開発事業 水素代替えエネルギーとしての新水素・酸素混合ガスの実用化技術開発
3) 水電解技術の現状と課題 横浜国立大学 大学院工学院研究院 機能の創生部門
4) 木原實と今福京子著 身の回りの化学 燃焼の化学サイトマップより
5) 化学工業基礎 F 理想気体・実在気体のPVT
6) 氷の相転移 東晃 日本結晶学会誌 14.274(1972)





  出願特許の内容 :実願・2016-000830号 (登録第3204090号)



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