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JP2858398B2 - Hybrid fission reactor and fusion system. - Google Patents
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JP2858398B2 - Hybrid fission reactor and fusion system. - Google Patents

Hybrid fission reactor and fusion system.

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JP2858398B2 JP7260657A JP26065795A JP2858398B2 JP 2858398 B2 JP2858398 B2 JP 2858398B2 JP 7260657 A JP7260657 A JP 7260657A JP 26065795 A JP26065795 A JP 26065795A JP 2858398 B2 JP2858398 B2 JP 2858398B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、原子炉、核燃料、
原子力発電、核融合及び核分裂原子炉と核融合の混成シ
ステムの技術分野に属する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a nuclear reactor, a nuclear fuel,
It belongs to the technical field of nuclear power generation, nuclear fusion and hybrid system of nuclear fission reactor and fusion.

【0002】[0002]

【従来の技術】本来、核分裂と核融合は別の原理に基づ
くもので技術も異なるものであるが、両者の特徴を
した混成システムは従来から研究されている。しかしな
がら、そのほとんどは原子炉の熱中性子を利用してリシ
ウムあるいはその化合物からトリチウムを生産し、この
トリチウムをトカマク等の核融合装置に導いて核融合反
応に利用するか、あるいは逆に核融合反応で発生する高
速中性子を利用してウラン−238を核分裂させるか、
又はウラン−238からプルトニウム−239を作り、
これを原子炉の燃料に利用する混成システムである。し
たがって「請求項1」及び「請求項2」に記載するよう
に、原子炉の炉心燃料の一部あるいは反応度制御用材料
としてリシウムの重水素化物を用い、原子炉の炉心内で
トリチウムを生成すると同時にトリチウムと重水素を活
性化させ、固相のリシウム重水素化物の中で核融合反応
を起こさせる試みはない。またリシウムの重水素物を利
用した混成システムについては、レーザーや爆発による
衝撃波を利用して核融合を起こさせる研究報告があるに
すぎない。「請求項3」に関しては、従来、液体リシウ
ム等を流体とするループを作り、その一部を原子炉の炉
心内に通して核融合のためのトリチウムを生産すること
が行なわれている。しかしながら、リシウムの重水素等
物を流体とするループの例はなく、またループの原子炉
内部分でトリチウムと重水素の原子核を核融合反応させ
て熱を発生させる試みはない。
BACKGROUND OF THE INVENTION Originally, fission and nuclear fusion is technology different at based on different principles, both hybrid system features and <br/> or activity of have been studied conventionally. However, most of them use thermal neutrons from the reactor to produce tritium from lithium or its compounds, and guide this tritium to a fusion device such as a tokamak to use it for the fusion reaction, or vice versa. Uranium-238 is fissioned using fast neutrons generated at
Or make plutonium-239 from uranium-238,
This is a hybrid system that uses this as fuel for nuclear reactors. Therefore, as described in claim 1 and claim 2, tritium is produced in the reactor core by using lithium deuteride as a part of the reactor core fuel or the reactivity control material. At the same time, there is no attempt to activate tritium and deuterium and cause a nuclear fusion reaction in solid-state lithium deuteride. Also, there are only research reports on fusion systems using lasers and explosion shock waves for hybrid systems using lithium deuterium. Regarding claim 3, conventionally, a loop using liquid lithium or the like as a fluid is formed, and a part of the loop is passed through a reactor core to produce tritium for nuclear fusion. However, there is no example of a loop using deuterium such as lithium as a fluid, and no attempt has been made to generate heat by performing a nuclear fusion reaction of tritium and deuterium nuclei in the reactor part of the loop.

【0003】核融合に関しては、トリチウムと重水素の
プラズマ核融合の研究において極めて短時間の臨界達成
に成功したが、大きな入力に対してわずかの出力が得ら
れたにすぎず、まだ長時間に渡って臨界条件を保持する
ことに成功していない。一方、常温核融合については、
まだ正式に核融合反応として認められていないが、重水
の水溶液の電気分解によってパラジウム電極に重水素を
モル比にして0.8以上吸収させた時に、重水素原子核
の核融合によると思われる異常発熱が時によって見られ
た。この反応は常に起こるとは限らず不確実であるが、
常温の固相金属中においても吸収された重水素による核
融合反応の起る可能性を示唆している。
[0003] Regarding fusion, research on plasma fusion of tritium and deuterium has succeeded in achieving criticality in a very short time. However, only a small output was obtained for a large input, and it was still a long time. They have not succeeded in maintaining critical conditions across the board. On the other hand, for cold fusion,
Although not yet officially recognized as a fusion reaction, when deuterium is absorbed in a palladium electrode at a molar ratio of 0.8 or more by electrolysis of an aqueous solution of heavy water, anomalies that are thought to be due to nuclear fusion of deuterium nuclei. A fever was occasionally seen. This reaction does not always occur and is uncertain,
This suggests that the fusion reaction may be caused by the absorbed deuterium even in solid metals at room temperature.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】現在、核融合研究にお
いてはトカマク装置によるプラズマ核融合が最も進んで
いるとされている。最も容易とされるトリチウムと重水
素のプラズマ核融合において着火温度は4,500万度
(約4.5keV)であり、ローソンの法則によると核
融合反応の臨界達成条件として、プラズマ温度が1億度
(約10keV)でプラズマ密度が1014/cm
場合、プラズマ保持時間1〜2秒としている。またボー
ムの理論によるとプラズマ温度が5,000万度の場
合、臨界保持時間は3.2秒となる。すなわち、トリチ
ウムと重水素をある時間、密度を1014/cm以上
で運動エネルギが5keV以上の超高温状態に保てば、
両者の原子核の衝突による核融合反応を臨界状態に保持
できることになる。このような密度と超高温のプラズマ
を作り、かつ保持するためには大型のトカマク装置と大
きな電力設備が必要である。一方、常温核融合の研究結
果は、常温の固体金属中に多量吸収された重水素が電気
分解中に核融合反応を起こす可能性を示唆しているもの
の、この反応はまれにしか起こらず常に起こるとは限ら
ない。 したがって本発明が解決すべき課題は、10
14/cm以上の密度でトリチウムと重水素の原子を
近接距離に長時間保持し、かつ、これらに5,000万
度すなわち約5keV以上の運動エネルギを与えて衝突
させることである。これによって核融合反応を起こさせ
ることが可能となる。
At present, plasma fusion using a tokamak apparatus is considered to be the most advanced in nuclear fusion research. In the plasma fusion of tritium and deuterium, which is considered the easiest, the ignition temperature is 45 million degrees (about 4.5 keV). According to Lawson's law, the plasma temperature is 100 million as a critical condition for the fusion reaction. When the plasma density is 10 14 / cm 3 at a temperature (about 10 keV), the plasma holding time is set to 1 to 2 seconds. According to Baum's theory, when the plasma temperature is 50 million degrees, the critical time is 3.2 seconds. That is, if tritium and deuterium are kept in an ultra-high temperature state with a density of 10 14 / cm 3 or more and a kinetic energy of 5 keV or more for a certain time,
The nuclear fusion reaction due to collision of both nuclei can be maintained in a critical state. In order to generate and maintain such high-density and ultrahigh-temperature plasma, a large-sized tokamak apparatus and large power equipment are required. On the other hand, cold fusion research suggests that deuterium absorbed in large amounts in solid metals at room temperature may cause a fusion reaction during electrolysis, but this reaction rarely occurs. It doesn't always happen. Therefore, the problem to be solved by the present invention is 10
Tritium and deuterium atoms are kept at a close distance for a long time at a density of 14 / cm 3 or more, and 50 million degrees, that is, about 5 keV or more of kinetic energy is applied to these atoms to cause collision. This makes it possible to cause a nuclear fusion reaction.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】トリチウムと重水素を高
密度で長時間安定に保持する手段として、「請求項1」
と「請求項2」に記載の固相、あるいは「請求項3」に
記載の液相のリシウムの重水素化物を用いる。重水素化
リシウムとほぼ同じ性質をもつ水素化リシウムは、融点
が689°Cで
As a means for stably maintaining tritium and deuterium at a high density for a long period of time, the present invention relates to a first aspect.
And the solid phase described in claim 2 or the liquid phase deuterium lithium described in claim 3 is used. Lithium hydride, which has almost the same properties as deuterium hydride, has a melting point of 689 ° C.

【化5】 に記載する型の結晶格子を有し、格子定数は400°C
で4.116A、600゜Cで4.188Aの共有結結
合性をもったイオン性結晶である。ポーリングによるイ
オン半径は正のリシウムイオンが0.60A、負の水素
イオンが2.08Aと大きく、水素イオンがリシウムイ
オンの周囲を取り囲む形で存在する。
Embedded image And a lattice constant of 400 ° C.
Is an ionic crystal having a covalent bonding property of 4.116 A at 4.16 A and 4.188 A at 600 ° C. The ionic radius by poling is as large as 0.60 A for positive lithium ions and 2.08 A for negative hydrogen ions, and hydrogen ions are present in a form surrounding the lithium ions.

【0006】天然のリシウムには質量数6の原子が7.
4%、質量数7の原子が92.6%含まれているが、リ
シウム−6は940バーンの反応断面積をもって熱中性
子と反応し
[0006] Natural lysium has an atom having a mass number of 6.
4% and 92.6% of atoms having a mass number of 7 are contained, but lithium-6 reacts with thermal neutrons with a reaction cross section of 940 burn.

【化6】 に従ってトリチウムを生成する。したがって、トリチウ
ムの密度が1014/cm以上となるためにはリシウ
ム−6を高濃縮したリシウムの重水素化物
Embedded image To produce tritium. Therefore, in order for the density of tritium to be 10 14 / cm 3 or more, lithium deuteride highly concentrated lithium-6 is required.

【化1】あるいはOr

【化3】を使用するか、又はあらかじめ重水素の一部を
トリチウムで置換した天然リシウムの重水素化物
Or a deuterated natural lysium in which deuterium is partially replaced with tritium

【化2】あるいはEmbedded image or

【化4】を使用すればよい。例えばリシウム−6を10
0%濃縮した1cm(約0.8グラム)の重水素化リ
シウムに、強さ1013/cm・secの熱中性子束
を照射すると毎秒約5.6x1014個の速さでトリチ
ウムが生産される。
Embedded image may be used. For example, 10
Irradiation of 0% -concentrated 1 cm 3 (about 0.8 g) of lithium deuterium with a thermal neutron flux of 10 13 / cm 3 · sec produces tritium at a rate of about 5.6 × 10 14 per second. Is done.

【0007】一方、トリチウムと重水素の原子核に5,
000万度に相当する5keV以上の運動エネルギを与
えるため、原子炉の速中性子照射及び熱中性子によるリ
シウムからトリチウム生成時の反跳エネルギを利用す
る。ウラン−235の核分裂によって発生する速中性子
は平均2MeVのエネルギを持っており、重水素、トリ
チウム及びリシウムとの弾性的衝突によって減速される
と同時に、衝突した相手の原子に運動エネルギを与え
る。重水素のみの場合、質量の差から衝突によって速中
性子の運動エネルギの半分が重水素原子核に与えられる
とすると、5keVから1MeVの運動エネルギをもつ
重水素原子核の生成速度は、原子炉内の速中性子束強度
が1013/cm・secの場合、約7x1013
cm・secとなる。1MeVに近い運動エネルギを
もった重水素原子核は、さらに何回も衝突を繰り返すの
で、5keV以上の運動エネルギをもつ重水素原子核の
生成速度は恐らく1014/cm・secを超えるも
のと思われる。なお、原子炉に高速中性子炉を用いれば
1014/cm・sec程度の速中性子束強度は容易
に得られるが、トリチウムの生成速度は主に熱中性子束
強度に依存するので減少する。トリチウムは重水素に比
べて、リシウムの重水素化物中の密度が小さく、また大
きな質量をもっているので、原子炉の速中性子との衝突
によって5keV以上の運動エネルギを得るトリチウム
原子核の数は重水素原子核の場合に比べてかなり小さい
と考えられる。しかしながら、トリチウムはリシウム−
6からの生成時に2.73MeVの反跳エネルギをもっ
て周囲の重水素原子と衝突するので、速中性子との衝突
による活性化よりは、むしろトリチウム自身の生成速度
が問題となる。したがって、原子炉内でトリチウムと重
水素の原子核が核融合反応を起こす確率は十分高いこと
が期待できる。また一旦、トリチウムと重水素の核融合
反応が起これば、この反応によって14MeVの高速中
性子が放出されるので、これによっても核融合反応の持
続が期待できる。
On the other hand, the nuclei of tritium and deuterium have 5,
In order to provide kinetic energy of 5 keV or more corresponding to 10 million degrees, recoil energy at the time of tritium generation from lithium by fast neutron irradiation and thermal neutrons of a reactor is used. Fast neutrons generated by the fission of uranium-235 have an average energy of 2 MeV, are decelerated by elastic collisions with deuterium, tritium and lithium, and at the same time impart kinetic energy to the colliding atom. In the case of deuterium alone, assuming that half of the kinetic energy of fast neutrons is given to deuterium nuclei by collision due to the difference in mass, the production rate of deuterium nuclei having kinetic energy of 5 keV to 1 MeV is determined by the speed in the reactor. When the neutron flux intensity is 10 13 / cm 3 · sec, about 7 × 10 13 /
cm 3 · sec. Since the deuterium nucleus having a kinetic energy close to 1 MeV repeats collision many times, the production rate of the deuterium nucleus having a kinetic energy of 5 keV or more is likely to exceed 10 14 / cm 3 · sec. . Note that if a fast neutron reactor is used as the reactor, a fast neutron flux intensity of about 10 14 / cm 3 · sec can be easily obtained, but the tritium generation rate decreases because it depends mainly on the thermal neutron flux intensity. Since tritium has a lower density in hydrides of deuterium than deuterium and has a large mass, the number of tritium nuclei that can obtain a kinetic energy of 5 keV or more by collision with fast neutrons in a reactor is the number of deuterium nuclei. It is considered to be considerably smaller than in the case of. However, tritium is lithium-
At the time of generation from 6, the ion collides with surrounding deuterium atoms with a recoil energy of 2.73 MeV, so that the generation rate of tritium itself is more important than activation by collision with fast neutrons. Therefore, it can be expected that the probability of nuclear fusion reaction between tritium and deuterium nuclei in a nuclear reactor is sufficiently high. Further, once the nuclear fusion reaction between tritium and deuterium occurs, the reaction releases fast neutrons of 14 MeV, so that the fusion reaction can be expected to continue.

【0008】トリチウムがリシウムと中性子との核反応
によって生成される時、同時にアルファ粒子(ヘリウム
−4の原子核)を放出する。またトリチウム自身も1
2.8年の半減期をもって自然に崩壊しヘリウム−3と
なる。ヘリウム−3は大きな熱中性子吸収断面積を有す
るので、これが蓄積すればトリチウム生成の大きな障害
となる。一方、ヘリウム−4もこれが蓄積すれば速中性
子の重水素やトリチウムとの衝突の障害になるので、ヘ
リウムは速やかに除去する必要がある。ヘリウムは透過
・拡散しやすく、かつ、リシウムとの親和力も乏しいの
で、使用される予定の温度では容易に蒸発する。
[0008] When tritium is produced by the nuclear reaction of lithium with neutrons, it simultaneously emits alpha particles (helium-4 nuclei). Tritium itself is also 1
It spontaneously decays to helium-3 with a half-life of 2.8 years. Since helium-3 has a large thermal neutron absorption cross section, its accumulation will be a major obstacle to tritium production. On the other hand, if helium-4 accumulates, it interferes with the collision of fast neutrons with deuterium and tritium, so helium must be removed promptly. Helium easily permeates and diffuses and has a low affinity for lysium, so it evaporates easily at the temperature at which it will be used.

【0009】[0009]

【発明実施の形態】「請求項1」については、現在軽水
炉及び高速増殖炉等の原子炉で燃料として使用されてい
るウラン二酸化物、ガドリニア入りウラン二酸化物及び
ウラン・プルトニウム混合酸化物等のペレットの代わり
に、「請求項1」に記載のリシウムの重水素化物の粉末
あるいはペレットを原子炉の炉心を構成する燃料の一部
分として使用する。この場合、例えば3ツの使用方法が
考えられる。 すなわち、(1)図1に示すように1
本の燃料棒の中にウラン二酸化物ペレットとリシウムの
重水素化物のペレットを混在させる。(2)リシウムの
重水素化物の粉末あるいはペレットのみからなる燃料棒
を燃料集合体内の適当な位置に少数本挿入する。(3)
すべての燃料棒がリシウムの重水素化物の粉末あるいは
ペレットからなる燃料集合体を原子炉の炉心内の適当な
位置に少数体配置する。「請求項2」については、熱中
性子炉の反応度制御用材料として用いられている炭化ホ
ウ素、ハフニウム、カドミウム等の代わりに「請求項
2」に記載のリシウムの重水素化物の粉末あるいはペレ
ットを用いる。例えば原子炉の制御棒の中にこれらを入
れて、反応度制御と同時にリシウムからトリチウムを生
成し、重水素と核融合反応を起こさせる。「請求項3」
については、「請求項3」に記載のリシウムの重水素化
物を流体とする例えば図2に示すような、一部分が原子
炉の炉心を通る循環装置(以下ループという)を作る。
流体は690°C以上に加熱し融体として使用するか、
あるいはリシウムの融点180.6°C以上に加熱しス
ラリーとして使用する。ループ内を循環する流体は原子
炉の炉心を通る時に原子炉の中性子によってリシウムか
らトリチウムを生成するとともに、原子炉内で活性化さ
れた重水素とトリチウムの原子核は核融合反応を起こし
て熱を発生する。この熱はループの炉外部分にある熱交
換器によって除熱され、ヒーターによって流体の原子炉
入り口温度を一定に調節する。このループの特徴は系内
にトリチウム、重水素及びリシウムを随時補給できるこ
とで、これによってループ内のこれらの濃度を常に所定
の値に保持できる。しかしながら、リシウムのような活
性な元素を含む流体を高温で使用するので、このような
ループは軽水炉ではなく、高速増殖炉のような液体ナト
リウムを冷却材とする原子炉で使用することに適してい
る。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Claim 1 refers to pellets such as uranium dioxide, uranium dioxide containing gadolinia, and uranium-plutonium mixed oxide currently used as fuel in nuclear reactors such as light water reactors and fast breeder reactors. Instead, the powder or pellets of lithium deuteride according to claim 1 is used as a part of the fuel constituting the core of the nuclear reactor. In this case, for example, three usage methods can be considered. That is, (1) As shown in FIG.
Uranium dioxide pellets and lithium deuteride pellets are mixed in one fuel rod. (2) Insert a small number of fuel rods consisting only of powder or pellets of lithium deuteride into appropriate positions in the fuel assembly. (3)
A fuel assembly consisting of powder or pellets of lithium deuteride in all fuel rods is placed in a minority at an appropriate position in the reactor core. Regarding “claim 2”, instead of boron carbide, hafnium, cadmium, etc. used as a material for controlling the reactivity of a thermal neutron reactor, the powder or pellets of the deuterated lithium of claim 2 are used. Used. For example, they are put into a control rod of a nuclear reactor, and at the same time as the reactivity is controlled, tritium is generated from lithium to cause a fusion reaction with deuterium. "Claim 3"
For example, as shown in FIG. 2, a circulating device (hereinafter, referred to as a loop) that partially passes through the core of a nuclear reactor and uses the deuterated lithium of claim 3 as a fluid.
The fluid is heated to 690 ° C or higher and used as a melt,
Alternatively, it is heated to a melting point of lithium of 180.6 ° C. or more and used as a slurry. The fluid circulating in the loop passes through the reactor core to produce tritium from lithium by neutrons in the reactor, and the activated deuterium and tritium nuclei in the reactor undergo a nuclear fusion reaction to generate heat. Occur. This heat is removed by a heat exchanger in the outer portion of the loop and a heater regulates the fluid reactor inlet temperature. The feature of this loop is that tritium, deuterium and lithium can be supplied to the system at any time, so that these concentrations in the loop can always be maintained at predetermined values. However, because of the use of fluids containing active elements such as lithium at elevated temperatures, such loops are not suitable for use in liquid sodium-cooled reactors, such as fast breeder reactors, but in light water reactors. I have.

【0010】[0010]

【発明の効果】この発明が実用化されれば、原子力発電
に使用される核燃料物質量と発生する放射性廃棄物量を
低減できる効果がある。さらにプラズマ核融合でも常温
核融合でもない新しい核融合の分野を開くことになる。
If the present invention is put to practical use, there is an effect that the amount of nuclear fuel material used for nuclear power generation and the amount of radioactive waste generated can be reduced. It will also open up new fields of fusion that are neither plasma fusion nor cold fusion.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】「請求項1」に係るウラン二酸化物とリシウム
の重水素化物のペレットが混在した原子炉の燃料棒の断
面図の例である。
FIG. 1 is an example of a sectional view of a fuel rod of a nuclear reactor in which pellets of uranium dioxide and lithium deuteride according to claim 1 are mixed.

【図2】「請求項3」に係る循環装置を用いた混成シス
テムの例である。
FIG. 2 is an example of a hybrid system using a circulating device according to claim 3;

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】軽水型発電用原子炉等の熱中性子炉及び高
速増殖炉等の高速中性子炉の炉心を構成する燃料の一部
として、天然リシウムあるいは質量数6のリシウムを濃
縮したリシウムの重水素化物 【化1】 、又は重水素の一部をトリチウムで置換したリシウムの
重水化物 【化2】 の粉末あるいはペレットを用いる。原子炉内の中性子に
よってリシウムからトリチウムを生成するとともに、原
子炉内で活性化されたトリチウムと重水素の原子核を核
融合反応させることによって熱を発生させる核分裂原子
炉と核融合の混成システム。
Claims 1. As a part of the fuel constituting the core of a thermal neutron reactor such as a light water type nuclear power reactor and a fast neutron reactor such as a fast breeder reactor, natural lithium or lithium enriched with lithium having a mass number of 6 is used. Hydride Or deuterium of lithium in which part of deuterium is replaced by tritium Powder or pellets. A hybrid fission reactor and fusion system that generates tritium from lithium by neutrons in the reactor and generates heat by performing a nuclear fusion reaction between activated tritium and deuterium nuclei in the reactor.
【請求項2】軽水型発電用原子炉等の熱中性子炉の反応
度制御用材料として、「請求項1」に記載したリシウム
の重水素化物の内、質量数6のリシウムを濃縮したリシ
ウムの重水素化物の粉末あるいはペレットを用いる。リ
シウム−6の大きな熱中性子吸収断面積を利用して原子
炉の反応度制御に用いるとともにトリチウムを生成し、
原子炉内で活性化されたトリチウムと重水素の原子核を
核融合反応させることによって熱を発生させる核分裂原
子炉と核融合の混成システム。
2. As a material for controlling the reactivity of a thermal neutron reactor such as a light water type nuclear power reactor, lysium obtained by enriching lithium having a mass number of 6 among the hydrides of lithium described in claim 1 is used. Use deuterated powder or pellets. Utilizing the large thermal neutron absorption cross section of lithium-6 to control the reactivity of the reactor and generate tritium,
A hybrid fission reactor and fusion system that generates heat by performing a nuclear fusion reaction between activated tritium and deuterium nuclei in a nuclear reactor.
【請求項3】天然リシウムあるいは質量数6のリシウム
を濃縮したリシウムの重水素化物 【化3】 、又は重水素の一部をトリチウムで置換したリシウムの
重水素化物 【化4】 を流体とする循環装置で、循環装置の一部分は原子炉の
炉心を通るようにする。循環装置の炉心内部分におい
て、リシウムからトリチウムを生成するとともに活性化
されたトリチウムと重水素の原子核を核融合反応させる
ことによって熱を発生させる核分裂原子炉と核融合の混
成システム。
3. A deuterium lysium enriched with natural lysium or lithium having a mass number of 6 Or deuterium of lithium in which part of deuterium is replaced by tritium A part of the circulation device passes through the core of the nuclear reactor. A hybrid fission reactor and fusion system that generates tritium from lithium in the core portion of the circulation device and generates heat by a nuclear fusion reaction of activated tritium and deuterium nuclei.
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