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Q&A <2008年>

Q再質問「貴研究所のホームページでの私の質問に対する御回答への疑問について」
★「私の前回の貴研究所への質問」
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
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。

A.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。)

B.「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。

C.「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。

D.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

E.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。

F.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。

G.「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。

  1. 通常のレーザー発振器の口径は10cm程度です。レーザーの出力や、レーザー光の一様性にも依りますが、数10cmの口径のレーザーを作ることは、技術的には可能であるようです。
    レーザーで中性粒子ビームを電離させるとした場合、どこで電離させるかが大きな問題となります。先に溜まっているプラズマは磁場に閉じ込められていますが、プラズマの外側にも磁場は存在しています。従って、プラズマの外側で電離させたのでは粒子はプラズマ中に入っていけず、プラズマの密度は上がっていきません。従って、ビームの進行方向にレーザーを打つ方法はうまくいきません。工学的にも、無理でしょう。また、プラズマ中で電離させようとした場合は、レーザーによる電離ばかりでなく、ビームと先に溜まっているプラズマとの衝突でも電離が起こります。ご提案の装置のプラズマを考えた場合、100キロ電子ボルト程度(~2000km/時)のエネルギーを持つプラズマのエネルギーは少なくとも数万ジュールとなります。これに対してレーザーの持つエネルギーは数十ジュールがせいぜいですから、大半はプラズマと粒子の衝突による電離となってしまいます。従って、プラズマの中性粒子入射による加熱と同様になります。
  2. 粒子の衝突は、乱反射となります。ビリヤードを想像していただくと分かりやすいかと思います。追突されたボールが真直ぐ同じ方向にはじかれるのは真うしろに当たったときだけで、大概は角度を持っていろいろな方向にはじかれます。ビームと粒子の場合も同様になります。磁場がある場合は、磁力線に巻きつく回転(らせん)運動に変わり、はじかれる角度と速度によって巻きつく回転半径が変わりますが、時間が経つほど入射したビーム方向の速度はバラバラになっていきます。従って、密度を上げるためにビームを打ちつづけても、密度の高いプラズマビーム(中性プラズマ様態ビーム)はできず、プラズマの中性粒子入射による加熱と同様になります。
    また、真空の中にプラズマがあるので、真空とプラズマとの間で密度に差が生じていますから磁場があっても、これを横切って粒子が動く拡散が生じますし、密度差が原因となる様々な不安定現象が発生してプラズマが消滅してしまいますので、プラズマといえどもあまり密度を上げることはできません。
  3. 2でも書きましたが、プラズマといえどもそれほど度密度を高くはできません。レンズ様の方法を用いてもミラー反射により粒子は跳ね返されますし、ある程度密度が高くなってきたとしても、やはり不安定性が発生してプラズマは消滅してしまいます。現時点では、密度の高いプラズマを一方向にビーム上に加速する有効な方法はありません。
    また、高密度のプラズマでも粒子の密度は1ccあたり10の16乗個程度です。空気で1ccあたり10の19乗個程度、固体で1ccあたり10の23乗個程度となります。高密度プラズマといえども、固体の1000万分の1程度の密度しかありませんので、すり抜けてしまうことがイメージできると思います。
2008年9月16日

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