HOME 連絡先

HOME >沸騰水型核融合発電装置 


 


主旨・概要
<目的>

水中でも電子ビーム照射が可能になる本装置を使用して水を加熱することにより核融合反応の自己点火条件を達成し、その核融合で発生した熱で発電する方法を提案する。またこのような装置を試作し、水への照射による加熱実験を当方の費用負担で行っていただける方を募集する。

<概要>

@ 電子ビームは水中では殆ど透過せず、10keVでは0.01mmしか浸透できない。(注1)しかし対象物に向かって水素ガスを噴射するとともにその供給管を兼ねた電子ビーム加速装置を使用すれば電子ビーム照射が可能になる。供給管内は高電圧で印加されているため電子銃より放出された電子は供給管内の水素ガスを電離しプラズマ化するがその二次電子とともに再び出口方向に加速される。(放電現象)
電子銃による電子放出を続ければプラズマは加熱され高温になるので膨張してその密度は小さくなる。例えば300Kから30,000KになればPV=nRTより圧力Pが一定であれば密度は100分の1になるが電子ビーム透過距離は密度に反比例するためその距離を長くすることができる。そのため高水圧下で水素ガスが圧縮されても照射が可能である。

A この核融合発電装置は水を満たした容器内で燃料となる重水素と三重水素からなるガスを噴射するとともにそのガスを通して水自体を対象物として磁場レンズで収束した電子ビームを照射するものである。加速管から照射された電子ビームはそれ以上加速されることはないが通過する部分のガスを電離し高温にするのでガスの密度は低下し、同じように透過距離を延ばすことができる。

B 電子ビーム照射を続ければ水分子及びそれに混入した重水素、三重水素ガスは分解し、最終的に裸の酸素原子核と陽子、重陽子、三重陽子、電子になるがこれらの荷電粒子は高速でも殆ど水を透過できず、近傍の水をやはり電離しプラズマ化する。その結果周囲に生じた裸の酸素原子核に衝突した陽子、重陽子、三重陽子は殆どその運動エネルギーを失うことなく跳ね返る。もし陽子が跳ね返らず周囲に留まるとすればエネルギー保存則に反することになる。また電子ビーム照射で陽子と共に生じた高速の裸の酸素原子核は跳ね返ることなく周囲にとどまり陽子、重陽子などの跳ね返りに寄与することになる。

C 水は熱伝導率が0.6なので十分な厚さの水を用い、熱拡散量を上回る発熱が得られる大出力の電子ビーム照射を続ければ極めて高密度(注3)の水素、重水素と三重水素からなるプラズマを高温の状態に長時間維持できるので密度×閉じ込め時間条件を充分満たすことができる。そのためプラズマ温度を3000万度K程度にすればローソン図より自己点火条件を達成でき、D−T反応核融合を起こすことができる。

D この高温プラズマ領域及び噴射された水素ガスは上方からのスクリューによる下降流や渦流による中央部の圧力低下により位置が固定されている。また発生した熱エネルギーによりプラスマ化領域周囲の水は沸騰・気化し、その水蒸気はやがて容器上部にたまる。この蒸気は容器外に取り出されタービンを回して発電するがその後海水などにより冷却される復水器により水に戻し再び容器内に還流する。

<想定している電子ビーム>

電子ビームの強度が強すぎると発生させたプラズマ領域を透過してしまい、多数のプラズマ粒子が発生してしまうため最大10keVとし、そのビーム径は0.2mmとする。その照射により深さ0.01mmがプラズマ化する。すなわち深さ0.01mmの水の体積0.000314mm分がプラズマになり、これは
1.74×10molに相当する。1モル水分子の完全イオン化に必要なエネルギーは956,521.9kJ/mol(注4)なのでこの領域の完全イオン化に必要なエネルギーは約0.0166kJである。そのため出力100kWの電子ビームを使用すればこの過程に0.000166秒かかる。
この完全イオン化過程が終了すればその後の継続した照射により電子ビームエネルギーは粒子の運動エネルギーに変換されプラズマ温度を極めて高い温度まで加熱することができる。

<ローソン自己点火条件に必要なエネルギー>

3000万度Kは3keVなので1.74×10molの粒子を加熱するにはエネルギー変換効率を100%とすると3keV×1.74×10×6×10(アボガドロ定数)=3.132×10keVとなり、1eV=1.6×10Jより約0.005kJが必要である。これは印加電圧1万V×10A=出力100kWの電子ビーム照射装置を使えば熱拡散がない場合、約0.00005秒で達成できることになる。

<プラズマの拡大>

電子ビーム照射の対象となるプラズマ領域では水分子が分解されるがこれは1対2の酸素イオン及び水素イオンからなるプラズマと同等と考えることができ、交換力が働いている。そのためこの体積は水の水圧を1気圧とすると1molの水分子は酸素イオン1/2molと水素イオン1molに分かれるので常温のときは計3/2×1.74×10mol×22.4=約0.0006ccである。容器内圧力を60気圧にするとこの60分の1になり、0.00001ccとなる。超高温になると交換力が働かなくなりプラズマ圧力が水圧とバランスすることになるがプラズマを理想気体とみなし、300Kから3000万Kになると体積が10万倍に拡大すると仮定すると0.00001ccの水は10万倍である1ccのプラズマになり、これは径1cm×長さ1.27cm程度になる。

<熱エネルギー拡散量>

しかし3000万度Kにもなれば熱拡散量も多くなるので計算アプリ(注5)を用いて水への伝熱量が定常状態になる場合の計算をしておく。外半径2mの円筒状の水の中心部で内半径0.5cmのプラズマから伝熱する量は両面の温度差が3000万℃のとき円筒長さ1mあたり約1.888×10Wの伝熱量がある。しかしこのプラズマ領域の長さは0.0127mなのでこの方向の伝熱量は約240kWである。また上下の面からの伝熱量は面積0.785cm=0.0000785mであり、その方向の水の厚さを2mとすると706.5Wである。すなわちその合計伝熱量は約241kWである。そのため電子ビーム出力が1万V×30A=300kW以上あればエネルギー変換効率にもよるが3000万度に加熱することは十分可能なことが分かる。実際には非定常熱伝導であり電子ビーム照射時間は非常に短くて済むのでこれより少ないエネルギー投入でよい。

<水中用電子ビーム照射装置の機能の特徴>

この装置では電子銃の前方に常に高圧水素ガスが流れ込むため電子線照射による水素ガス電離で生ずる二次電子の放電による雪崩現象が発生する。そのため以前の電子ビーム発生装置と異なり大電流での電子ビーム照射が可能になり、電子ビームがプラズマ領域を透過してしまわないようにプラズマ領域の拡大による密度の低下に合わせてビーム強度を抑制してもこの大電流の増加により必要な出力を維持できる。また磁場レンズによるビーム径の拡大により電流密度の調節ができる。

<D−T反応核融合による発生エネルギー>

水素ガス供給管からプラズマ領域に供給される燃料の二重水素、三重水素ガスを一対一の比率とし、このガスの毎秒の供給量により発生する核融合反応エネルギーを試算する。一旦自己点火による核融合反応が起こればその発熱により電子ビーム照射が必要なくなるがこの装置の場合、高温プラズマ領域が小さいので核融合反応によって発生させるエネルギーを大きくするには燃料となる二重及び三重水素ガスの量を多くしていけばよいが自己点火条件を維持できるだけの燃料ガス濃度(粒子密度)を保ちながら軽水素ガスも一時的に供給してプラズマ領域を大きくし、多量の燃料水素ガスを供給できるようにするとともに伝熱量を多くして熱エネルギーの回収を容易にすることが考えられる。またプラズマ化領域の外側の水は気化し、高温により膨張するので高温の範囲はさらに大きくなり、伝熱量を大きくする。軽水素ガスの投入により例えば径20cm×長さ12.7cmの高温プラズマ領域に拡大すれば体積がさらに千倍になり、13.3になる。燃料となる60気圧の三重水素ガス及び二重水素ガス供給量を毎秒この1%の0.133とすれば0.356molとなり、発生するエネルギーはアボガドロ定数×0.356mol×17MeVであり、1MeVは1.6×10Jなので5,810MWとなる。一方1の100度Cの水を沸騰,気化するために必要なエネルギーは539.8kcalであり、1calは4.184Jなのでこの発生エネルギーで単位時間に気化する水の量は5,810MW÷(539.8kcal×4.184J)≒2,57kL=2.57mである。つまり反応容器内の水の量は径4m、高さ4mなので50.24mあるがこの水を19.5秒ですべて気化出来るので必要に応じて反応容器を大きくしてさらに多量の水とし、長い気化時間にすることもできる。この水蒸気でタービンを回して発電することになるがこの発電効率を現在の原子炉と同じように30%とすると1,743MW(百七十四万KW)の発電ができる。
なお、5,810MWの発熱のうちα粒子による1,025MWは高温プラズマ領域にとどまるのでプラズマ温度が自己点火温度範囲を維持するようにスクリューによるプラズマ近傍の下降水流を多くして熱拡散量を調整する必要がある。

<D−D反応核融合発電>

同じように可能であるのでその内容は直接、ホームページ連絡先までお問い合わせください。

 

注1:http://www.mikage.to/radiation/beta_range.html(β線の飛程による計算ツール)により計算

注2:https://ecodesign.exblog.jp/8439817/

注3:プラズマ密度 60気圧

注4:ウィキペディアのイオン化エネルギーの一覧より計算

注5:https://www.hakko.co.jp/qa/qakit/html/s01040.htm より計算





  出願特許の内容



 詳しい内容は下記にお問い合わせください。


住所
 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

 

▲ページトップへ




| ホーム | 水中用電子ビーム照射装置 | 沸騰水型核融合発電装置 
| 酸水素ガス掘削機 | 改良型酸水素ガス核融合発電装置 | 高圧水素製造タンク | 高圧式可逆燃料電池 
| 波力発電船によるマンガン団塊採掘システム | 遠心式高圧水素製造装置 | 海洋温度差・波力発電船 
 | 波力発電兼エネルギー運搬船 | セイル型風力発電装置 | 係留スクリュー型海流発電装置 
| ルアー型海流・潮流発電装置  | スクリューポンプ付きスラスト軸受 | 参考 自転力発電装置 

   
Copyrights (C) 2010-2019 Renewable Energy Patents for Sale YASUKAGAWA. All Rights Reserved.
自然エネルギー関連の特許権を販売します 安ヵ川 誠
〒982-0263 宮城県仙台市太白区茂庭字人来田西8-13 TEL:022-281-0033 FAX:022-281-0585