LHD

Home > Q&A> Q&A2008

Q&A <2008年>

Q非専門家である私の核融合炉新炉アイヂア「双リング対逆回転式プラズマ様態一方向指向性電離中性ビーム衝突反応核融合炉」についての未来的な実現の可能性について

 私は、核融合等物理学の専門家ではございませんが、核融合に興味がある私的な勉強をしている者です。昨今、co2地球温暖化問題や石油高騰問題で、エネルギーから食料に至るまで高騰し、又は、制限を受け、将来、世界的経済縮小を余儀なくされる状態になってきました。この問題を根本的に解決できるのは、核融合炉実用化しかないと思いました。核融合は、ウラン原子力発電と同じに少ない燃料で多くのエネルギーを取り出せる割に、ウラン鉱と違い、海水の中の重水素としての燃料を、消費量換算で何億年もの埋蔵量を持っています。また、核融合炉施設の数基を、同じく海水からで、水素・酸素分解生産専用の炉に使えば、水素エンジン機関用の燃料生産に使えるわけで、こうすると、原料がタダなので、採算が合う上、このエンジン機関は、電気と違い爆発力的エネルギーとして動力に使えるため、自動車・飛行機・工場・船舶の動力機関にでき、しかも、酸素と水素で、排気ガスが水なので環境にも非常に良いわけです。その他に、酸素・水素を使った燃料電池として使えば、安いコストの大量蓄電機関ができるわけです。
 ところで、現在の核融合炉は、主流がトカマク炉ですが、私なりに、違った方式の核融合炉も可能かと思ったのですが、昔、地上で初めて、核融合させた加速器での陽子同士の衝突で、核融合が確認された。この応用で、より多くの水素(同位体)原子核を改良加速器で衝突させて核融合炉とする、アメリカ・プリストン大学で作られた「TFTR」という実験装置で実験されたが、同一電荷によるクーロン力で、トカマク炉の3万分の1の粒子密度しか得られず、そのため、反応率が悪いとし、中止したと聞いてます。私は、この方式を、もっと、粒子を高密度に凝縮できるプラズマビーム同士の正面衝突で出来ないかと考えたわけです ここで、私のアイディアに過ぎないが、下記のとおり、新炉案を考えましたので、貴機構の専門家の立場で未来の実現性として可能か、ご意見をお願いいたします。
※炉( 双リング対逆回転式プラズマ様態一方向指向性電離中性ビーム衝突核融合反応炉)の全体的なイメージ説明・・・・・・・・スキャナーがないので図を送れず、全部、文章で説明いたします
     
  1. 大きなリングのため、トカマク炉にあるセンターソレノイドコイルのいらない、 かつ、超高速で回転する電荷粒子を磁力線に絡ませる時に起こる強力な遠心力を抑えられるリングとしてヘリカルコイルリングを使う。リングの中空トロイダル磁場にするため、ヘリカルコイルとポロイダルコイルを使った直径10m・円周約32m・プラズマを回転保持集積させる真空のチューブの内径40cm位のリングを2リング作る。(リンクのサイズは、あくまで、イメージで、実際は、リングから衝突炉へ送るのに十分のリングに貯めるための電荷粒子の時間当たりの入射できる粒子の量と、そして、粒子が衝突して反応できる速度以下にまで減速されないまでの時間以内という条件で、リングの中空磁場の直径や太さをきめる。また、2つのリング同士の管内は、互いに、衝突を目的に、ビームが高速逆回転となるようにする。)
  2. 「A」のリングは、直径10mの細長いヘリカルリングとし、そのリングには、接線状で8mおき3箇所に、トカマク炉で使っている加熱用兼燃料補給用高速中性粒子(重水素原子)を入射するため、その各箇所には、イオン源とそこからリングに向かって伸びる中性粒子加速用の線形加速器を取り付ける。
  3. 「A」の細長いヘリカルリング内に入射された高速中性粒子は磁場に無反応のた め、円形リングの内壁に衝突する前に瞬間的に電離させて電子と原子核の電荷粒子に する必要がある。そのため、入射口直後に、レーザー核融合炉で使う高エネルギーレーザーを中性粒子入射後方から進行方向に向かって、中性粒子に光速照射して、数ナノ秒以内に中性粒子を電離させる。レーザービームは、直進するので内壁を溶かさないように、内壁衝突位置に高エネルギーレーザー反射ミラーを取り付ける。しかし、レーザーは、照射範囲が狭いので、中性粒子が電離したあと、電離粒子は、無照射状態になり、また、原子に結合するので、原子に結合しないで電離したままにするように、常に、数カ所から粒子の進行方向に向かって、水素原子の完全電離最低温度の2~3万度cに粒子を加熱できるようにプラズマ加熱用高周電磁波を照射させ、振動加熱させる。また、電子レンジの庫内の内壁のように、プラズマ加熱用高周電磁波を全反射させるように、リングの内壁に、当該電磁波全反射素材を使い、円形リング内を、この電磁波で反射充満させるようにする。そして、このリング内は、加速器と同じ全粒子同一方向かつ全粒子内壁に平行運動のプラズマ様態ビームなので、リング内で融合反応を起こさせるのでなくビームをリングの外に取り出して、その回転速度で衝突反応を起こさせる方式である。
  4. リングの円周が32mくらいなので、8mごとに加速器取り付け口を3箇所付けても、あと1箇所、8mおきに付けられるが、この部分に核融合反応をさせる炉に伸びるトカマク磁場を作る電磁石列と同じトロイダルコイルで出来た直線導管を炉に付けるように設置する。(直線管なのでポロイダルコイルは使わない) 炉の位置は、平面図で書くと2つのリングの真下当たりに位置する。炉に向かって、ここにもプラズマ様態ビームが通るので同じ加熱用にプラズマ加熱用高周電磁波発射プラグを設ける。
    これで、2つのリングは、互いに逆回転のビームなので、プラズマ様態ビームが、高速度で、この直線導管を通り、2つのリングからの直線導管がかち合うの炉のところで衝突する
  5. 中性プラズマ様態ビームは、リングで加速できないため、入射しか粒子の速度を高められない。従って、高速回転すると光子放射減速で急速に粒子の速度を落とす。
    そのため、入射して、ビーム同士が衝突融合反応が可能な速度以内の時間に、リングから衝突炉へビームを送らなければならないが、ヘリカル式リングは、完全に磁気的に外部から密封されているので、電荷ビームをリング外に放出できない。そこで、できるか分からないが、ヘリカルコイルとポロイダルコイルとの隙間からリングに接線上にビームを放出できるように、リングと炉への直線導管の接合部分に、リングのヘリカルコイルやポロイダルコイルと別に、磁力的に、その磁力を数倍上回るトロイダルコイルでもって、強制的に、直線導管にビームガ流れ込むようにできないか?、それには、そのコイルを楕円形になどして、さらに、コイルの中心を直線導管に偏るようにして、なんとか、全ビーム粒子が流れ込む時間の100分の1秒以下くらい、その磁力を効かせるように炉へ入射できないか?課題である。
  6. プラズマ様態一方向指向性電離中性ビームを正面衝突により融合反応させる衝突反応炉は、楕円形に近い形をしており、2つのヘリカル式リングから来る直線導管は、炉に向かい互い浅い角度で交差するようにする。(衝突しない粒子が反対の直線導管に入って、逆流するからである。)
      炉壁材は、トカマク炉と似たようなものとする。
  7. 「F」でビームの衝突で浅い角度を付けると、炉へのビーム噴出口の反対の炉内壁にビームが激突する。そのため、そこに、穴を開けて、炉外へ、そして、その外のところに強力な電磁石のN極・S極の上下サンドのスリットを設け、ここに、この衝突しなかったプラズマビームを通すとローレンツの屈折で、例えば、プラス電荷粒子は、右折、マイナス電荷粒子は、左折と瞬間的に中性のプラズマビームが、2つの異なった電荷粒子ビームに分解できる。次に、サイクロトロンの加速装置部分のない状態と同じ上下に大きな円盤状の強力な電磁石のN極・S極のサンドを作り、その円盤の一番外から、この分離した、高速電荷粒子を、それぞれの大きな円盤状の強力な電磁石のN極・S極のサンド装置に入射させる。そうするとローレンツの屈折で円形回転運動をしながら光子を放出し、急速減速し、速度が落ちるとともに、円盤の中央へ落ちてゆくので、それを回収し、再利用する。
    H.炉は粒子の衝突後、反応物も未衝突粒子も、瞬間真空ポンプで吸い込んで分別し、再利用等をする。つまり、エンジンと同じ断続反応炉である。(リングで、再加速できないこともある。)
  ※ここまでの過程は、すべて、粒子のある場所は、真空である。  
●各部詳細説明
  1. 入射粒子用に使う高速中性粒子入射器は、加速器用のイオン源器及び線形加速器でなく、トカマク炉で高速中性粒子として使われている大量電荷粒子発生器としてのイオン源器と大量の電荷t粒子を加速できる線形加速器とする。線形加速器なら間断なく入射できる。(入射速度は、秒速2000km程度にする。入射後、リングでは、加速装置が存在しないので、融合反応可能な秒速1000km以上に下がる前に衝突炉へ粒子を送る。)
  2. 原子核同士の正面衝突といっても、1兆分の1cmのサイズ同士の衝突なので、より、衝突率を高める必要がある。そのためには、直線導管が炉に接合する直前の、その磁力線の通る管の内径を炉に向かって、急に、細くつぼめるということである(プラズマ様態ビームは、中性なので電磁気学的レンズでビームを収束できないため)。
    このとき、磁力線の本数を変えないため、コイルの巻き数は、細くなっても変わらないようにする。そうすると、管の中空の磁力線もつぼまって傾斜する。また、細くなると磁力線の密度が高くなり磁力が強くなるので、粒子の磁力線への旋回半径も小さくなり、粒子は通り抜けられる。しかし、炉に入るとコイルがないので直線導管から延びる磁力線は反対磁極へ行こうとラッパ状に広がり、炉心でビームが焦点化し、その焦点を衝突点にしようとしても無理なので、直線導管の炉内のビーム噴出口を輪のように取り囲むように反対磁極を炉壁に作って、ラッパ状に出る磁力線を急に90度以上にまげて、高速で炉へ入射するプラズマ粒子が磁力線を振り切らせるようにすれば、それでも、少々、開いてしまうが、直線導管の磁力線のつぼまり方との調整で炉心でうまく焦点化衝突させられるのではないか。
  3. プラズマ様態一方向指向性電離中性ビームを回転させるリング(トロイダル磁場)は、なぜ、必要か?それは、ある時間(入射開始してから炉へ送るまで)に、より、多くの電荷粒子を加速器からの受け入れ詰め込むためである。しかし、トカマク炉と違い、より限られた空間に多くの粒子を貯め、そこで、高温運動により融合させるのと違い、その回転の速さから炉の衝突点で一瞬にリングにある粒子が全部衝突されるので(理屈上だが)、爆縮と同じで、水爆とも同じである。だから、あまり、多くの粒子をリングに貯めて全衝突させても、炉が持たないので、加速器の時間当たりの粒子入射能力にもよるが、案外、0.数秒に1回の衝突反応が可能かもしれない。
  4. トカマク炉と比べた利点
    (1)反応炉が、コイルと別なので、中性子などからコイルが守れる。
    (2)高速(高温=一方向だが)にするのに電場加速なので、容易である。
    (3)プラズマとは言え、一方向指向性ビームなので、加速器と同じに、リングの内壁を、あまり、熱で痛めない。
    (4)プラズマの密度と温度による融合連鎖反応確率を、あまり考えなくともよい。
    以上のないようなので、よろしくお願いします。

 ご質問有難うございました。一般の方で、次々とアイディアを思いつくというのは非常にすばらしいと思います。今回のご質問は図がないためイメージしにくい部分もあったのですが、中性粒子入射装置で入射した粒子をプラズマ化して2つのリング内に溜め高密度化し、2つのリングから高速高密度のプラズマビームとして取り出し、正面衝突させて核融合炉を作ることができるか、と言うことかと思います。
 アイディアとしては面白いのですが、現時点では実現は難しいと思います。
まず、入射した中性粒子ビームをプラズマ化するのにレーザーを用いる方法ですが、中性粒子ビームの径が数10cm程度としても、レーザービームの径はせいぜい数cmですから、全ての粒子を電離することはできないでしょう。ただし、中性粒子は、すでに溜まっているプラズマとの衝突や、閉じ込め磁場との相互作用による誘導電場で電離されますので、ビームを全てプラズマ化することは可能です。ここで問題となるのは、密度を上げるために次々と入射された中性粒子は徐々にエネルギーを失いながら(他の粒子にエネルギーを与えながら)減速していくため、いろいろな速度を持った粒子(プラズマ)ができることです。このことは次々と入射されてくる中性粒子全てについて起こることですので、結局、希望するような、ビーム状に一方向に高速で運動する高密度なプラズマを作ることは、残念ながらできません。
 最後に、ビームの正面衝突ですが、気体(プラズマ)同士の衝突ですので、ほとんどはすり抜けてしまいます。結局、粒子が他の粒子とどのくらいの確立で出会うかと言うことですので、反応率が問題となります。以前のご質問の回答にもありましたように、トカマクと比較した場合、ビームの場合温度が1桁上げられて、衝突の確率が1桁高くなりますが、密度が3万分の1程度しか上げられないためトカマクに比べて反応率は3千分の1にしかなりません。

2008年8月19日

Home > Q&A> Q&A2008

Q&A

皆様からのご質問と回答

環境監視情報

重水素実験情報公開

e-mail情報配信登録

登録された方に核融合科学研究所の情報をメールにて提供します。

重水素実験について

市民説明会について