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JP7519681B2 - Fuel pellets, fuel pellet manufacturing method, nuclear fusion reactor, and nuclear fusion method - Google Patents
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Description

本発明は、燃料ペレット、燃料ペレットの製造方法、核融合炉、及び核融合方法に関する。 The present invention relates to fuel pellets, a method for manufacturing fuel pellets, a nuclear fusion reactor, and a nuclear fusion method.

従来、核融合燃料にレーザを照射し核融合燃料の点火を生じさせるレーザ核融合が知られている。核融合燃料としては、典型的には、重水素三重水素混合物(以下、DTと称する)が用いられる。このようなレーザ核融合の方法として、中心点火方式が提案されている。 Laser fusion is known in the past, in which a laser is irradiated onto a fusion fuel, causing the fusion fuel to ignite. A deuterium-tritium mixture (hereinafter referred to as DT) is typically used as the fusion fuel. A central ignition method has been proposed as a method for this type of laser fusion.

中心点火方式は、レーザ光を球殻状の燃料ペレットに当てることで燃料ペレットを爆縮し、中心部に核融合点火部(ホットスパーク)を形成し、燃料の点火および燃焼を生じさせる方法である。例えば、特許文献1には、10ps未満のパルス持続時間及び1ペタワットを上回る電力を有する核融合レーザーパルスによって(中心点火方式により)核融合の火炎が生成される、発電方法及び核融合炉が開示されている。 The central ignition method is a method in which a laser beam is directed at a spherical fuel pellet to implode the fuel pellet, forming a fusion ignition part (hot spark) in the center, causing ignition and combustion of the fuel. For example, Patent Document 1 discloses a power generation method and a fusion reactor in which a fusion flame is generated (by the central ignition method) by a fusion laser pulse having a pulse duration of less than 10 ps and a power of more than 1 petawatt.

一方、1990年代に中心点火から発展し、高速点火手法が発明された。高速点火とは、中心点火と同じく燃料を爆縮したのちに、パルス幅が短く強度の高いレーザ等で燃料を加熱して点火および燃焼を生じさせる手法である。この手法ではホットスパークを別の熱源によって作るため、爆縮に対する技術的な要求が緩和される。 Meanwhile, in the 1990s, the fast ignition technique was invented, developing from central ignition. Fast ignition is a technique in which, like central ignition, fuel is imploded, and then the fuel is heated with a short-pulse, high-intensity laser or similar to cause ignition and combustion. With this technique, the hot spark is created by a separate heat source, which relaxes the technical requirements for implosion.

特開2017-513018号公報JP 2017-513018 A

上述のような中心点火方式のレーザ核融合を行うために、内部に燃料ガスを封入した球殻状の固体燃料層を有する燃料ペレットを製造する必要がある。すなわち、燃料ペレットは、中空構造をとる必要がある。 To perform the central ignition type laser nuclear fusion described above, it is necessary to manufacture fuel pellets that have a spherical shell-shaped solid fuel layer with fuel gas sealed inside. In other words, the fuel pellets need to have a hollow structure.

また、中心点火方式では、燃料ペレットを球対称に爆縮する必要がある。そのため、固体燃料層の表面の凹凸は、nmのオーダに抑え、固体燃料層の厚さのムラは、0.1%以下に抑える必要がある。さらに、DTを固化させるためには、18K以下に冷却する必要がある。そのため、核融合燃料としてDTを用いる場合、均質な厚さの固体DT層を形成するために非常にゆっくりとDTを固化させ、固体DTの結晶を成長させていく技術が必要である。典型的に、DT燃料を充填し始めてから燃料ペレットを製造するまでに約24時間の時間を要する。 In addition, in the central ignition method, the fuel pellets must be imploded spherically symmetrically. Therefore, the surface irregularities of the solid fuel layer must be kept to the order of nm, and the thickness unevenness of the solid fuel layer must be kept to 0.1% or less. Furthermore, in order to solidify DT, it must be cooled to 18K or less. Therefore, when using DT as a fusion fuel, a technology is required to solidify DT very slowly and grow the solid DT crystals in order to form a solid DT layer of uniform thickness. Typically, it takes about 24 hours from the start of filling DT fuel to the production of fuel pellets.

このように、従来の燃料ペレットの製造方法は、非常に高い製造精度を要求される。そのため、燃料ペレットを大量生産するのが困難であるといった問題がある。 As such, conventional fuel pellet manufacturing methods require extremely high manufacturing precision. This makes it difficult to mass-produce fuel pellets.

本発明の一態様は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、その目的は、大量生産が可能である燃料ペレット及び燃料ペレットの製造方法を提供することにある。 One aspect of the present invention was made in consideration of the above problems, and its purpose is to provide fuel pellets that can be mass-produced and a method for manufacturing fuel pellets.

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る燃料ペレットは、核融合燃料に対してレーザを照射することによって核融合反応を生じさせる慣性核融合に用いられる燃料ペレットであって、前記核融合燃料と、前記核融合燃料を内部に収容し、球殻状の膜と、を備え、前記核融合燃料は、前記膜の中を、液体または固体の状態で満たしていることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a fuel pellet according to one aspect of the present invention is a fuel pellet used in inertial fusion, in which a fusion reaction occurs by irradiating a fusion fuel with a laser, and is characterized in that it comprises the fusion fuel and a spherical shell-shaped membrane that contains the fusion fuel, and the fusion fuel fills the membrane in a liquid or solid state.

また、前記核融合燃料は液体であってもよい。また、前記核融合燃料は固体であってもよい。また、前記膜は、プラスチック製であってもよい。 The fusion fuel may be liquid. The fusion fuel may be solid. The membrane may be made of plastic.

また、前記燃料ペレットは、円錐形状を有し、前記円錐形状の底面側から頂点側へ前記レーザを誘導する誘導部材をさらに備え、前記膜は貫通孔を有し、前記誘導部材の前記円錐形状の頂点側が前記貫通孔に挿入されている構成であってもよい。 The fuel pellet may also have a conical shape and further include a guide member that guides the laser from the bottom side to the apex side of the cone shape, the membrane may have a through hole, and the apex side of the cone shape of the guide member may be inserted into the through hole.

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る燃料ペレットは、核融合燃料にレーザを照射することによって核融合反応を生じさせる慣性核融合に用いられる燃料ペレットであって、前記核融合燃料と、複数の細孔を有し、当該細孔内に前記核融合燃料を収容する球状の発泡体と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a fuel pellet according to one aspect of the present invention is a fuel pellet used in inertial fusion, in which a fusion reaction occurs by irradiating a fusion fuel with a laser, and is characterized in that it comprises the fusion fuel and a spherical foam having a plurality of pores that contain the fusion fuel within the pores.

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る燃料ペレットの製造方法は、複数の前記膜をチャンバ内に供給する供給ステップと、前記チャンバ内を減圧し、所定の真空度とする減圧ステップと、前記所定の真空度である前記チャンバ内において前記膜に前記核融合燃料を充填する充填ステップと、を含む。 In order to solve the above problems, a method for manufacturing fuel pellets according to one aspect of the present invention includes a supply step of supplying a plurality of the films into a chamber, a depressurization step of reducing the pressure in the chamber to a predetermined degree of vacuum, and a filling step of filling the films with fusion fuel in the chamber at the predetermined degree of vacuum.

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る燃料ペレットの製造方法は、複数の前記発泡体をチャンバ内に供給する供給ステップと、前記チャンバ内を減圧し、所定の真空度とする減圧ステップと、前記所定の真空度である前記チャンバ内において前記発泡体に前記核融合燃料を充填する充填ステップと、を含む。 In order to solve the above problems, a method for manufacturing fuel pellets according to one aspect of the present invention includes a supply step of supplying a plurality of the foam bodies into a chamber, a depressurization step of depressurizing the chamber to a predetermined degree of vacuum, and a filling step of filling the foam bodies with the fusion fuel in the chamber at the predetermined degree of vacuum.

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る核融合炉は、前記燃料ペレットを用いることを特徴とする。 To solve the above problems, a nuclear fusion reactor according to one aspect of the present invention is characterized by using the above-mentioned fuel pellets.

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る核融合方法は、前記燃料ペレットに爆縮レーザおよび加熱レーザを照射することを特徴とする。 To solve the above problems, a nuclear fusion method according to one aspect of the present invention is characterized in that the fuel pellets are irradiated with an implosion laser and a heating laser.

本発明の一態様によれば、大量生産が可能である燃料ペレット及び燃料ペレットの製造方法を提供することができる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to provide fuel pellets that can be mass-produced and a method for manufacturing fuel pellets.

中心点火方式による核融合燃料の点火方法を示す図である。FIG. 1 illustrates a method for igniting fusion fuel using a central ignition system. 高速点火方式による核融合燃料の点火方法を示す図である。FIG. 1 illustrates a method for igniting fusion fuel using fast ignition. 本発明の一実施形態に係る燃料ペレットの模式断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a fuel pellet according to an embodiment of the present invention; 上記燃料ペレットを用いた高速点火方式による核融合燃料の点火方法を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a method of igniting nuclear fusion fuel by a fast ignition method using the fuel pellets. 上記燃料ペレットにレーザを照射する核融合炉の模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a nuclear fusion reactor in which the fuel pellets are irradiated with a laser. 上記燃料ペレットの製造方法を示す工程図である。3 is a process diagram showing a method for producing the fuel pellets. FIG. 供給ステップおよび減圧ステップにおける上記燃料ペレットの製造装置を示す模式図である。3 is a schematic diagram showing the fuel pellet manufacturing apparatus in a supply step and a depressurization step. FIG. 充填ステップにおける上記燃料ペレットの製造装置を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the fuel pellet manufacturing apparatus in the filling step. 連続射出ステップにおける上記燃料ペレットの製造装置を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the fuel pellet manufacturing apparatus in the continuous injection step. 本発明の他の実施形態に係る燃料ペレットの模式断面図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a fuel pellet according to another embodiment of the present invention. 本発明のさらに他の実施形態に係る燃料ペレットの模式断面図である。FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of a fuel pellet according to still another embodiment of the present invention. 爆縮レーザの出力と上記核融合燃料の圧縮を示す値との関係を示すグラフである。1 is a graph showing the relationship between the power of an implosion laser and a value indicative of compression of the fusion fuel. 上記爆縮レーザのパルス波形を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a pulse waveform of the implosion laser. 加熱レーザの各レーザ波長に対応する、核融合のエネルギー出力を示すグラフである。1 is a graph showing the fusion energy output for each laser wavelength of the heating laser. 上記加熱レーザの各レーザ波長に対応する、核融合反応のために要求される電子のエネルギーおよび加熱レーザの出力を示す表である。1 is a table showing the electron energy required for a nuclear fusion reaction and the power of the heating laser corresponding to each laser wavelength of the heating laser.

〔実施形態1〕
(本発明の一態様の特徴点について)
図1は、中心点火方式による核融合燃料の点火方法を示す図である。図2は、高速点火方式による核融合燃料の点火方法を示す図である。図1および図2を参照し、中空構造の燃料ペレットを用いた、核融合燃料の点火方法を説明する。
[Embodiment 1]
(Features of one aspect of the present invention)
Fig. 1 is a diagram showing a method for igniting nuclear fusion fuel using a central ignition method. Fig. 2 is a diagram showing a method for igniting nuclear fusion fuel using a fast ignition method. With reference to Figs. 1 and 2, a method for igniting nuclear fusion fuel using a hollow fuel pellet will be described.

中心点火方式では、図1の符号1Aに示すように、燃料ペレット110は、球殻状の固体燃料層111と、その外周上に設けられるアブレータ層112とを備える。また、固体燃料層111の内部には燃料ガス113が封入されている。アブレータ層112は、例えばプラスチック製のカプセルである。 In the central ignition method, as shown by reference symbol 1A in FIG. 1, the fuel pellet 110 comprises a spherical solid fuel layer 111 and an ablator layer 112 provided on its outer periphery. In addition, fuel gas 113 is sealed inside the solid fuel layer 111. The ablator layer 112 is, for example, a capsule made of plastic.

図1の符号1Bに示すように、このような燃料ペレット110に対して爆縮レーザ115を照射することによって、球状の固体燃料層111を球対称に圧縮する。具体的には、爆縮レーザ115の照射によりアブレータ層112は瞬時に高温のプラズマ112aとなり、燃料ペレット110の外部方向に膨張する。このような外部方向への膨張により、固体燃料層111に対しては、その内部方向に向かう圧力が急激に加わる。すなわち、燃料ペレット110は爆縮される。 As shown by reference symbol 1B in FIG. 1, by irradiating the fuel pellets 110 with an implosion laser 115, the spherical solid fuel layer 111 is compressed spherically symmetrically. Specifically, the ablator layer 112 is instantly transformed into high-temperature plasma 112a by irradiation with the implosion laser 115, and expands outward from the fuel pellets 110. This outward expansion causes a sudden pressure to be applied to the solid fuel layer 111 inward. In other words, the fuel pellets 110 are imploded.

図1の符号1Cに示すように、爆縮された固体燃料層111は、最大圧縮時において、圧縮前の数千倍の密度に圧縮され、主燃料部111aとなる。また、燃料ガス113は固体燃料層111の圧縮により加熱され、ホットスパーク113aを形成する。ホットスパーク113aは、核融合反応が誘起され、中性子とα粒子とが生成される領域である。ホットスパーク113a内では、一部の燃料の核融合反応で生成されたα粒子により未反応の燃料が加熱され、核融合反応が促進される。すなわち、燃料ペレット110は点火する。 As shown by reference symbol 1C in FIG. 1, the imploded solid fuel layer 111 is compressed to a density several thousand times that before compression at the time of maximum compression, and becomes the main fuel portion 111a. The fuel gas 113 is heated by the compression of the solid fuel layer 111, forming a hot spark 113a. The hot spark 113a is a region where a nuclear fusion reaction is induced and neutrons and alpha particles are generated. Within the hot spark 113a, the unreacted fuel is heated by alpha particles generated by the nuclear fusion reaction of some of the fuel, promoting the nuclear fusion reaction. In other words, the fuel pellets 110 ignite.

図1の符号1Dに示すように、ホットスパーク113aの核融合点火により、その周囲の主燃料部111aもα粒子により加熱される。これにより、主燃料部111aにおいても、核融合反応が急激に開始される。すなわち、燃料ペレット110は燃焼する。 As shown by reference symbol 1D in FIG. 1, the nuclear fusion ignition of the hot spark 113a causes the surrounding main fuel section 111a to be heated by α particles. This causes the nuclear fusion reaction to begin suddenly in the main fuel section 111a as well. In other words, the fuel pellets 110 burn.

このような中心点火方式では、爆縮時において、主燃料部111aとホットスパーク113aとの界面に撹乱が生じる可能性がある。このような撹乱を抑制するため、中心点火方式では、固体燃料層111の圧縮の極めて高い一様性が要求される。具体的には、固体燃料層111の表面の凹凸は、nmのオーダに抑えられる必要がある。また、固体燃料層111の厚さのムラは、0.1%以下に抑えられる必要がある。 In such a central ignition method, disturbances may occur at the interface between the main fuel section 111a and the hot spark 113a during implosion. To suppress such disturbances, the central ignition method requires extremely high uniformity in the compression of the solid fuel layer 111. Specifically, the unevenness of the surface of the solid fuel layer 111 must be suppressed to the order of nm. In addition, the unevenness of the thickness of the solid fuel layer 111 must be suppressed to 0.1% or less.

また、中心点火方式では、爆縮によってホットスパーク113aを形成する必要がある。そのため、燃料ペレット110は、製造過程において、固体燃料層111の内部に燃料ガス113を封入する必要がある。すなわち、燃料ペレット110において、固体燃料層111がアブレータ層112の内部で中空構造をとる必要がある。 In addition, in the central ignition method, it is necessary to form a hot spark 113a by implosion. Therefore, in the manufacturing process of the fuel pellet 110, it is necessary to seal the fuel gas 113 inside the solid fuel layer 111. In other words, in the fuel pellet 110, the solid fuel layer 111 needs to have a hollow structure inside the ablator layer 112.

一方、高速点火方式では、図2の符号2Cに示すように、主燃料部111aに加熱レーザ116を照射して、主燃料部111aの中央部にホットスパーク113aを形成する。図2の符号2A、2Bおよび2Dに示すように、高速点火方式における燃料ペレット110の核融合加熱以外の過程については、中心点火方式と同様である。 On the other hand, in the fast ignition method, as shown by reference symbol 2C in FIG. 2, a heating laser 116 is irradiated onto the main fuel section 111a to form a hot spark 113a in the center of the main fuel section 111a. As shown by reference symbols 2A, 2B, and 2D in FIG. 2, the process in the fast ignition method other than the nuclear fusion heating of the fuel pellets 110 is the same as in the central ignition method.

このような高速点火方式では、加熱レーザ116により外部から強制的に加熱してホットスパーク113aを形成する。すなわち、高速点火方式では、爆縮によってホットスパーク113aを形成する必要はない。そのため、中心点火方式と比較し、爆縮時における主燃料部111aとホットスパーク113aとの界面の撹乱を考慮する必要がなく、固体燃料層111の圧縮の一様性を確保するための条件が緩和される。 In this type of fast ignition method, hot sparks 113a are formed by forcibly heating from the outside using a heating laser 116. In other words, in the fast ignition method, it is not necessary to form hot sparks 113a by implosion. Therefore, compared to the central ignition method, there is no need to consider disturbance of the interface between the main fuel part 111a and the hot spark 113a during implosion, and the conditions for ensuring uniform compression of the solid fuel layer 111 are relaxed.

本発明者らは、高速点火方式によるレーザ核融合において中実構造の燃料ペレットを用いることで、核融合燃料の点火および燃焼を実現できることを見出した。また、本発明者らは、燃料ペレットを中実構造とすることで、後述する製造方法(図5~8参照)により簡易的に燃料ペレットの大量生産を実現できることを見出した。これらの知見は、核融合燃料の点火および燃焼を実現するためには燃料ペレットを中空構造とすることが必須であるといった従来の常識からは予想できない、極めて意外性の高い知見である。 The inventors have discovered that by using fuel pellets with a solid structure in laser fusion using the fast ignition method, it is possible to achieve ignition and combustion of fusion fuel. Furthermore, the inventors have discovered that by making the fuel pellets solid, it is possible to easily mass-produce fuel pellets using the manufacturing method described below (see Figures 5 to 8). These findings are highly unexpected and could not be predicted from conventional wisdom that a hollow fuel pellet structure is essential to achieve ignition and combustion of fusion fuel.

(燃料ペレット10の構成)
図3は、本発明の実施形態1に係る燃料ペレット10の模式断面図である。燃料ペレット10は、核融合燃料11と、核融合燃料11を内部に収容するカプセル(膜)12と、を備える。図3を参照し、高速点火方式によるレーザ核融合に用いられる中実構造の燃料ペレット10の構成について以下に説明する。
(Configuration of the fuel pellet 10)
Fig. 3 is a schematic cross-sectional view of a fuel pellet 10 according to the first embodiment of the present invention. The fuel pellet 10 includes a fusion fuel 11 and a capsule (membrane) 12 that contains the fusion fuel 11. The configuration of the fuel pellet 10 having a solid structure used in laser fusion by fast ignition will be described below with reference to Fig. 3.

核融合燃料11は、レーザを照射することによって核融合反応を生じさせるレーザ核融合(慣性核融合)の燃料である。核融合燃料11は、例えば液体である。液体の例として、液体DT(重水素三重水素混合物)が挙げられる。この場合、DTを20K程度まで冷却し、液化させたDTを使用する。なお、核融合燃料11としてはこれに限定されるものではない。核融合燃料11は、固体であってもよい。固体の例としては、固体DTが挙げられる。また、核融合反応はDT核融合に限定するものではない。核融合燃料11は、重水素のみから構成された燃料、三重水素のみから構成された燃料、固体LiD(重水素リチウム)燃料、あるいは液体B(ジボラン)燃料等であってもよい。 The fusion fuel 11 is a fuel for laser fusion (inertial fusion) in which a fusion reaction occurs by irradiating a laser. The fusion fuel 11 is, for example, a liquid. An example of the liquid is liquid DT (a mixture of deuterium and tritium). In this case, DT is cooled to about 20K and liquefied to use. Note that the fusion fuel 11 is not limited to this. The fusion fuel 11 may be a solid. An example of the solid is solid DT. Also, the fusion reaction is not limited to DT fusion. The fusion fuel 11 may be a fuel composed only of deuterium, a fuel composed only of tritium, a solid LiD (lithium deuterium) fuel, or a liquid B 2 H 6 (diborane) fuel, etc.

カプセル12は、核融合燃料11の蒸発を抑制する球殻状の部材である。カプセル12は、後述する燃料ペレット射出機構54(図7~9を参照)による射出からレーザ照射までの100ms程度の間、核融合燃料11の蒸発を十分に抑制できる材質で構成される。カプセル12は、例えばプラスチックである。プラスチックの例として、ポリスチレンまたはポリイミドなどが挙げられる。なお、カプセル12としてはこれに限定されるものではない。カプセル12は、Glow Discharge Polymer、ガラス、あるいはカーボンなどによって構成されてもよい。 The capsule 12 is a spherical shell-shaped member that suppresses the evaporation of the fusion fuel 11. The capsule 12 is made of a material that can sufficiently suppress the evaporation of the fusion fuel 11 for about 100 ms between the injection by the fuel pellet injection mechanism 54 (see Figures 7 to 9) described below and the laser irradiation. The capsule 12 is, for example, plastic. Examples of plastic include polystyrene and polyimide. However, the capsule 12 is not limited to these. The capsule 12 may be made of glow discharge polymer, glass, carbon, or the like.

核融合燃料11として液体DT燃料を用いる場合、カプセル12の外径は、200~500μmであることが好ましい。カプセル12の厚さは、核融合燃料11の蒸発を十分に抑制でき、かつ、核融合燃料11に対して照射されるレーザの強度を低下させすぎない程度の厚さに設定される。具体的には、カプセル12の厚さは、7μm以上かつ50μm以下であることが好ましく、例えば10μm程度とすることができる。 When liquid DT fuel is used as the fusion fuel 11, the outer diameter of the capsule 12 is preferably 200 to 500 μm. The thickness of the capsule 12 is set to a thickness that can sufficiently suppress the evaporation of the fusion fuel 11 and does not excessively reduce the intensity of the laser irradiated to the fusion fuel 11. Specifically, the thickness of the capsule 12 is preferably 7 μm or more and 50 μm or less, and can be, for example, about 10 μm.

核融合燃料11は、カプセル12の中を、液体または固体の状態で満たしている。すなわち、核融合燃料11はカプセル12の内部で中実構造をとる。ここで、核融合燃料11として液体DT燃料を用いる場合、容易にカプセル12内に核融合燃料11を中実かつ等密(均一な密度で)に充填することができる。 The fusion fuel 11 fills the inside of the capsule 12 in a liquid or solid state. In other words, the fusion fuel 11 has a solid structure inside the capsule 12. Here, when liquid DT fuel is used as the fusion fuel 11, the fusion fuel 11 can be easily filled into the capsule 12 in a solid and iso-dense manner (at uniform density).

図4は、燃料ペレット10を用いた高速点火方式による核融合燃料11の点火方法を示す図である。図4の符号4Aに示すように、燃料ペレット10に対して爆縮レーザ5を照射する。爆縮レーザ5の照射条件については、図12、13を参照し、後述する。 Figure 4 is a diagram showing a method of igniting fusion fuel 11 by a fast ignition method using fuel pellets 10. As shown by reference numeral 4A in Figure 4, an implosion laser 5 is irradiated onto the fuel pellets 10. The irradiation conditions of the implosion laser 5 will be described later with reference to Figures 12 and 13.

図4の符号4Bに示すように、爆縮レーザ5の照射によりカプセル12は瞬時に高温のプラズマ12aとなり、燃料ペレット10の外部方向に膨張する。このような高温のプラズマ12aの膨張により、核融合燃料11は爆縮される。 As shown by reference symbol 4B in FIG. 4, the capsule 12 instantly becomes a high-temperature plasma 12a upon irradiation with the implosion laser 5, and expands toward the outside of the fuel pellets 10. The expansion of this high-temperature plasma 12a causes the fusion fuel 11 to implode.

図4の符号4Cに示すように、爆縮された核融合燃料11は、最大圧縮時において、圧縮前の数千倍の密度に圧縮され、主燃料部11aとなる。このような主燃料部11aに加熱レーザ6を照射して、主燃料部11aの中央部にホットスパーク13を形成する。 As shown by reference symbol 4C in FIG. 4, the imploded fusion fuel 11 is compressed to a density several thousand times that of the fuel before compression at the time of maximum compression, and becomes the main fuel section 11a. A heating laser 6 is irradiated onto the main fuel section 11a, forming a hot spark 13 in the center of the main fuel section 11a.

図4の符号4Dに示すように、ホットスパーク13の核融合点火により、主燃料部111aにおいて核融合反応が急激に開始される。 As shown by reference symbol 4D in FIG. 4, the nuclear fusion reaction is rapidly initiated in the main fuel section 111a by the nuclear fusion ignition of the hot spark 13.

(核融合炉1の構成)
図5は、燃料ペレット10にレーザを照射する核融合炉1の模式図である。図5に示すように、核融合炉1は、燃料ペレット10の入口2と、真空チャンバ3と、複数のレンズ4とを備える。また、真空チャンバ3の周囲には冷却材の流路(不図示)が設けられる。
(Configuration of Nuclear Fusion Reactor 1)
Fig. 5 is a schematic diagram of a fusion reactor 1 that irradiates a laser onto a fuel pellet 10. As shown in Fig. 5, the fusion reactor 1 includes an inlet 2 for the fuel pellets 10, a vacuum chamber 3, and a plurality of lenses 4. In addition, a flow path (not shown) for a coolant is provided around the vacuum chamber 3.

燃料ペレット10は、入口2から真空チャンバ3内の所定の位置に導入される。具体的には、燃料ペレット10は、真空チャンバ3内の所定の位置を通過するように投入される。複数のレンズ4は、レーザ5、6(爆縮レーザ5あるいは加熱レーザ6)を、真空チャンバ3内の所定の位置に集光する。燃料ペレット10が所定の位置を通過するタイミングと、レーザ5、6が照射されるタイミングとを一致させることにより、所定の位置において燃料ペレット10にレーザ5、6が照射され、核融合反応が生じる。核融合反応により生じた熱エネルギーは公知の方法により冷却材を介して発電エネルギーに変換される。 The fuel pellets 10 are introduced from the inlet 2 to a predetermined position in the vacuum chamber 3. Specifically, the fuel pellets 10 are introduced so that they pass through a predetermined position in the vacuum chamber 3. A plurality of lenses 4 focus the lasers 5, 6 (implosion laser 5 or heating laser 6) at a predetermined position in the vacuum chamber 3. By matching the timing at which the fuel pellets 10 pass through the predetermined position with the timing at which the lasers 5, 6 are irradiated, the lasers 5, 6 are irradiated onto the fuel pellets 10 at the predetermined position, and a nuclear fusion reaction occurs. The thermal energy generated by the nuclear fusion reaction is converted into power generation energy via a coolant by a known method.

(燃料ペレット10の製造方法)
図6は、燃料ペレット10の製造方法を示す工程図である。図7は、供給ステップS1および減圧ステップS2における燃料ペレット10の製造装置50を示す模式図である。図8は、充填ステップS3における燃料ペレット10の製造装置50を示す模式図である。図9は、連続射出ステップにおける燃料ペレット10の製造装置50を示す模式図である。図6~9を参照し燃料ペレット10の製造方法の一例として液体DT燃料(核融合燃料)11をカプセル12に充填する場合の製造方法について以下に説明する。なお、核融合燃料11として液体DT燃料以外の液体燃料(例えば、液体B燃料)をカプセル12に充填する場合においても、本実施形態における燃料ペレット10の製造方法に適用することができる。
(Method of Manufacturing Fuel Pellets 10)
FIG. 6 is a process diagram showing the manufacturing method of the fuel pellets 10. FIG. 7 is a schematic diagram showing the manufacturing device 50 of the fuel pellets 10 in the supply step S1 and the depressurization step S2. FIG. 8 is a schematic diagram showing the manufacturing device 50 of the fuel pellets 10 in the filling step S3. FIG. 9 is a schematic diagram showing the manufacturing device 50 of the fuel pellets 10 in the continuous injection step. As an example of the manufacturing method of the fuel pellets 10, a manufacturing method in which the liquid DT fuel (nuclear fusion fuel) 11 is filled into the capsule 12 will be described below with reference to FIGS. 6 to 9. Note that the manufacturing method of the fuel pellets 10 in this embodiment can be applied even when the capsule 12 is filled with a liquid fuel other than the liquid DT fuel (for example, liquid B 2 H 6 fuel) as the nuclear fusion fuel 11.

図7~9に示すように、製造装置50は、チャンバ51と、真空ポンプ52と、燃料貯蔵部53と、燃料ペレット射出機構54とを備える。製造装置50は、複数のカプセル12に液体DT燃料11を充填し、燃料ペレット10を製造する。また、製造装置50は、燃料ペレット10を核融合炉1に供給する。 As shown in Figures 7 to 9, the manufacturing apparatus 50 includes a chamber 51, a vacuum pump 52, a fuel storage section 53, and a fuel pellet injection mechanism 54. The manufacturing apparatus 50 fills multiple capsules 12 with liquid DT fuel 11 to manufacture fuel pellets 10. The manufacturing apparatus 50 also supplies the fuel pellets 10 to the fusion reactor 1.

チャンバ51は、複数のカプセル12を格納する容器である。チャンバ51は、略円筒状の本体部511と、本体部511の底部に設けられ、本体部511より内径の小さい射出部512とを備える。本体部511は、複数のカプセル12を射出部512に誘導するために、下方に向かうに従い内径が徐々に小さくなっている。射出部512の内径はカプセル12の外径より大きい。 The chamber 51 is a container that stores multiple capsules 12. The chamber 51 includes a substantially cylindrical main body 511 and an ejection section 512 that is provided at the bottom of the main body 511 and has a smaller inner diameter than the main body 511. The inner diameter of the main body 511 gradually decreases downward in order to guide the multiple capsules 12 to the ejection section 512. The inner diameter of the ejection section 512 is larger than the outer diameter of the capsules 12.

真空ポンプ52は、チャンバ51内を真空にするポンプである。燃料貯蔵部53は、カプセル12に充填される液体DT燃料11を貯蔵するタンクである。真空ポンプ52および燃料貯蔵部53はそれぞれ、チャンバ51に接続されている。燃料貯蔵部53とチャンバ51との間には、燃料貯蔵部53とチャンバ51との間での液体DT燃料11の流れを制御するバルブ531が設けられている。 The vacuum pump 52 is a pump that creates a vacuum inside the chamber 51. The fuel storage unit 53 is a tank that stores the liquid DT fuel 11 that is filled into the capsule 12. The vacuum pump 52 and the fuel storage unit 53 are each connected to the chamber 51. A valve 531 is provided between the fuel storage unit 53 and the chamber 51 to control the flow of the liquid DT fuel 11 between the fuel storage unit 53 and the chamber 51.

燃料ペレット射出機構54は、射出部512の下端に位置する燃料ペレット10を、核融合炉1へ射出する。具体的には、燃料ペレット射出機構54は、射出部512の下端に位置する燃料ペレット10に対して圧縮重水素ガスを噴射する。射出部512の下部と核融合炉1の入口2とは図示しない配管により接続されている。燃料ペレット10は、圧縮重水素ガスの圧力により、配管を通って核融合炉1へ射出される。 The fuel pellet injection mechanism 54 injects the fuel pellets 10 located at the lower end of the injection section 512 into the fusion reactor 1. Specifically, the fuel pellet injection mechanism 54 injects compressed deuterium gas onto the fuel pellets 10 located at the lower end of the injection section 512. The lower part of the injection section 512 and the inlet 2 of the fusion reactor 1 are connected by a pipe (not shown). The fuel pellets 10 are injected into the fusion reactor 1 through the pipe by the pressure of the compressed deuterium gas.

本実施形態における燃料ペレット10の製造方法は以下のとおりである。まず、図7に示すように、チャンバ51に設けられた図示しない導入口から、複数のカプセル12をチャンバ51内に供給する(図6のS1)。 The manufacturing method of the fuel pellets 10 in this embodiment is as follows. First, as shown in FIG. 7, a plurality of capsules 12 are supplied into the chamber 51 from an inlet (not shown) provided in the chamber 51 (S1 in FIG. 6).

次いで、真空ポンプ52により、チャンバ51内を減圧する(図6のS2)。真空ポンプ52は、チャンバ51内を所定の真空度とする。 Next, the vacuum pump 52 reduces the pressure inside the chamber 51 (S2 in FIG. 6). The vacuum pump 52 creates a predetermined degree of vacuum inside the chamber 51.

次いで、図8に示すように、所定の真空度であるチャンバ51内において複数のカプセル12に液体DT燃料11を充填する(図6のS3)。具体的には、バルブ531を調整することで、燃料貯蔵部53に貯蔵されている液体DT燃料11がチャンバ51に供給される。ここで、カプセル12は、液体DT燃料11に対して透過性を有する。したがって、チャンバ51に供給された液体DT燃料11は、複数のカプセル12内に充填される。以上の製造方法(図6のS1~S3)により、液体DT燃料11がカプセル12に充填された燃料ペレット10を製造することができる。 Next, as shown in FIG. 8, liquid DT fuel 11 is filled into multiple capsules 12 in chamber 51, which is at a predetermined vacuum level (S3 in FIG. 6). Specifically, liquid DT fuel 11 stored in fuel storage section 53 is supplied to chamber 51 by adjusting valve 531. Here, capsules 12 are permeable to liquid DT fuel 11. Therefore, the liquid DT fuel 11 supplied to chamber 51 is filled into multiple capsules 12. By the above manufacturing method (S1 to S3 in FIG. 6), fuel pellets 10 in which capsules 12 are filled with liquid DT fuel 11 can be manufactured.

製造装置50は、図6のS1~S3により製造された燃料ペレット10を核融合炉1に供給する。具体的には、まず、バルブ531を調整することで、図9に示すように、チャンバ51に残存する液体DT燃料11を燃料貯蔵部53に回収する。次いで、射出部512の下部に位置する燃料ペレット10に対して燃料ペレット射出機構54のノズルから圧縮重水素ガスを噴射する。これにより、燃料ペレット10を核融合炉1へ射出する。この操作を繰り返し、チャンバ51内の複数の燃料ペレット10を核融合炉1へ連続射出する。なお、燃料ペレット10の核融合炉1への供給方法としてはこれに限定されず、例えば燃料ペレット10を自由落下させることにより核融合炉1に供給してもよい。 The manufacturing device 50 supplies the fuel pellets 10 manufactured by S1 to S3 in FIG. 6 to the fusion reactor 1. Specifically, first, the valve 531 is adjusted to recover the liquid DT fuel 11 remaining in the chamber 51 to the fuel storage section 53 as shown in FIG. 9. Next, compressed deuterium gas is injected from the nozzle of the fuel pellet injection mechanism 54 to the fuel pellets 10 located at the bottom of the injection section 512. This ejects the fuel pellets 10 into the fusion reactor 1. This operation is repeated to eject multiple fuel pellets 10 in the chamber 51 continuously into the fusion reactor 1. Note that the method of supplying the fuel pellets 10 to the fusion reactor 1 is not limited to this, and for example, the fuel pellets 10 may be supplied to the fusion reactor 1 by allowing them to fall freely.

このような燃料ペレット10の製造方法により、従来の燃料ペレットの製造方法と比較し、固体DTの結晶を成長させる技術が不要であるため、飛躍的に生産効率を上げることができる。従って、簡易的に燃料ペレット10の大量生産が実現できる。また、このような燃料ペレット10の供給方法により、燃料ペレット射出機構54による射出からレーザ照射までの間に核融合燃料11が蒸発するのを十分に抑制することができる。 This method of manufacturing fuel pellets 10 dramatically improves production efficiency compared to conventional fuel pellet manufacturing methods because it does not require technology to grow solid DT crystals. Therefore, mass production of fuel pellets 10 can be easily achieved. In addition, this method of supplying fuel pellets 10 can sufficiently suppress the evaporation of fusion fuel 11 between the time of injection by the fuel pellet injection mechanism 54 and the time of laser irradiation.

また、燃料ペレット10を核融合炉1に供給する前に、液体DT燃料11を冷却固化させて固体DT燃料としてもよい。これにより、燃料ペレット射出機構54による射出からレーザ照射までの間に、核融合燃料11が蒸発するのを防ぐことができる。従って、燃料ペレット10は、固体DT燃料を長時間保持することができる。 Also, before the fuel pellets 10 are supplied to the fusion reactor 1, the liquid DT fuel 11 may be cooled and solidified to form solid DT fuel. This prevents the fusion fuel 11 from evaporating between the time of injection by the fuel pellet injection mechanism 54 and the time of laser irradiation. Therefore, the fuel pellets 10 can retain the solid DT fuel for a long period of time.

〔実施形態2〕
(燃料ペレット20の構成および製造方法)
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
[Embodiment 2]
(Configuration and manufacturing method of fuel pellets 20)
Other embodiments of the present invention will be described below. For ease of explanation, the same reference numerals are given to members having the same functions as those described in the above embodiment, and the description thereof will not be repeated.

図10は、本発明の実施形態2に係る燃料ペレット20の模式断面図である。燃料ペレット20は、核融合燃料11と、カプセル(膜)22と、コーン(誘導部材)23と、を備える。 Figure 10 is a schematic cross-sectional view of a fuel pellet 20 according to embodiment 2 of the present invention. The fuel pellet 20 includes a fusion fuel 11, a capsule (membrane) 22, and a cone (induction member) 23.

カプセル22は、円切り加工により形成された貫通孔22aを有する点でカプセル12と相違する。例えば、外径が500μmのカプセル22に対して、内径が150μmの貫通孔22aが形成される。貫通孔22aは、例えば、円切り加工プログラムを実施するフェムト秒レーザ装置によって形成される。これにより、カプセル22の円切り加工の再現性を向上させ、カプセル22の大量生産を可能とする。 Capsule 22 differs from capsule 12 in that it has a through hole 22a formed by a circular cutting process. For example, for a capsule 22 having an outer diameter of 500 μm, a through hole 22a having an inner diameter of 150 μm is formed. The through hole 22a is formed, for example, by a femtosecond laser device that executes a circular cutting program. This improves the reproducibility of the circular cutting process of capsule 22, making it possible to mass-produce capsules 22.

コーン23は、円錐形状を有し、前記円錐形状の底面側から頂点23a側へ加熱レーザ6を誘導する誘導部材である。コーン23は、頂点23a側が貫通孔22aに挿入されるようにカプセル22に接合される。コーン23は、例えば、金あるいはアルミニウム等の比較的重い金属で構成されている。 The cone 23 has a conical shape and is a guide member that guides the heating laser 6 from the bottom side of the cone shape to the apex 23a side. The cone 23 is joined to the capsule 22 so that the apex 23a side is inserted into the through hole 22a. The cone 23 is made of a relatively heavy metal such as gold or aluminum.

爆縮時において、圧縮された核融合燃料11は、レーザに対する遮断密度より高い密度のプラズマで囲まれている。そのため、単に加熱レーザ6を核融合燃料11の周辺に照射することでは、加熱レーザ6を核融合燃料11の内部に伝搬することは困難である。そこで、加熱レーザ6は、コーン23の内部を介して頂点23aに照射される。これにより、カプセル22の内部に高エネルギーの電子を発生させ、ホットスパークを形成することができる。 At the time of implosion, the compressed fusion fuel 11 is surrounded by plasma with a density higher than the cutoff density for the laser. Therefore, it is difficult to propagate the heating laser 6 into the inside of the fusion fuel 11 by simply irradiating the periphery of the fusion fuel 11 with the heating laser 6. Therefore, the heating laser 6 is irradiated to the apex 23a through the inside of the cone 23. This generates high-energy electrons inside the capsule 22, and a hot spark can be formed.

燃料ペレット20の製造方法は、燃料ペレット10と同様である。なお、燃料ペレット20の製造時には、コーン23の内部に核融合燃料11が入り込まないように、コーン23の方向が適宜制御される。また、核融合炉1への燃料ペレット20の射出時には、加熱レーザ6がコーン23に照射されるように、燃料ペレット20の姿勢が適宜制御される。 The manufacturing method of the fuel pellets 20 is the same as that of the fuel pellets 10. When manufacturing the fuel pellets 20, the direction of the cone 23 is appropriately controlled so that the fusion fuel 11 does not get inside the cone 23. When ejecting the fuel pellets 20 into the fusion reactor 1, the attitude of the fuel pellets 20 is appropriately controlled so that the heating laser 6 is irradiated onto the cone 23.

〔実施形態3〕
(燃料ペレット30の構成および製造方法)
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
[Embodiment 3]
(Configuration and manufacturing method of fuel pellets 30)
Other embodiments of the present invention will be described below. For ease of explanation, the same reference numerals are given to members having the same functions as those described in the above embodiment, and the description thereof will not be repeated.

図11は、本発明の実施形態3に係る燃料ペレット30の模式断面図である。図11に示すように、燃料ペレット30は、核融合燃料11と、カプセル12と、フォーム(発泡体)33と、を備える。 Figure 11 is a schematic cross-sectional view of a fuel pellet 30 according to a third embodiment of the present invention. As shown in Figure 11, the fuel pellet 30 includes a fusion fuel 11, a capsule 12, and a foam 33.

フォーム33は、複数の細孔33aを有し、当該細孔33a内に核融合燃料11を収容する。フォーム33は、カプセル12の内部で中実構造をとる。なお、燃料ペレット30は、カプセル12を備えていなくてもよい。すなわち、燃料ペレット30は、核融合燃料11と、細孔33a内に核融合燃料11を収容する球状のフォーム33と、を備えていてもよい。 The foam 33 has a plurality of pores 33a, and contains the fusion fuel 11 in the pores 33a. The foam 33 has a solid structure inside the capsule 12. Note that the fuel pellet 30 does not necessarily have to include the capsule 12. In other words, the fuel pellet 30 may include the fusion fuel 11 and a spherical foam 33 that contains the fusion fuel 11 in the pores 33a.

フォーム33の材質は、例えばレゾルシノール・ホルマリン(RF)とフロログリシノールカルボン酸・ホルマリン(PF)との混合物(RF-PF)である。なお、フォーム33の材質はこれに限定されない。 The material of the foam 33 is, for example, a mixture of resorcinol-formalin (RF) and phloroglucinol carboxylic acid-formalin (PF) (RF-PF). However, the material of the foam 33 is not limited to this.

燃料ペレット30は、フォーム33の細孔33a内に核融合燃料11を収容することで、燃料ペレット30内に空気層が残存するのを防止することができる。すなわち、フォーム33の細孔33a内に核融合燃料11を中実かつ等密に充填することができる。特に、液体DT燃料11を冷却固化させて固体DT燃料とする場合、DTの固化による体積の減少に応じてフォーム33全体が圧縮する。そのため、固体DT燃料を用いる場合においても、核融合燃料11を中実かつ等密に充填することができる。燃料ペレット30の製造方法は、燃料ペレット10の製造方法と同様である。 The fuel pellets 30 can prevent air layers from remaining in the fuel pellets 30 by storing the fusion fuel 11 in the pores 33a of the form 33. In other words, the fusion fuel 11 can be packed solidly and evenly in the pores 33a of the form 33. In particular, when the liquid DT fuel 11 is cooled and solidified to become solid DT fuel, the entire form 33 is compressed in accordance with the reduction in volume caused by the solidification of the DT. Therefore, even when solid DT fuel is used, the fusion fuel 11 can be packed solidly and evenly in the same manner. The manufacturing method of the fuel pellets 30 is the same as the manufacturing method of the fuel pellets 10.

〔実施形態4〕
(固体LiD燃料を用いる場合の製造方法)
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
[Embodiment 4]
(Manufacturing method when using solid LiD fuel)
Other embodiments of the present invention will be described below. For ease of explanation, the same reference numerals are given to members having the same functions as those described in the above embodiment, and the description thereof will not be repeated.

本実施形態では、燃料ペレット10の製造方法の一例として固体LiD燃料をカプセル12に充填する場合の製造方法について以下に説明する。 In this embodiment, a manufacturing method for filling solid LiD fuel into a capsule 12 will be described below as an example of a manufacturing method for fuel pellets 10.

LiDは常温で固体の結晶であり、通常は粉末で量産されている。固体LiD燃料は、固体結晶LiDを球状に加工することで製造されてもよい。また、固体LiD燃料は、粉末LiDを充填した一対の半球状のカプセルを互いに接着することで製造されてもよい。また、固体結晶LiDより安定である固体結晶LiOD(重水水酸化リチウム)を用いてもよい。ただし、発電エネルギーの効率の観点からは、固体結晶LiDを用いる方がより好ましい。 LiD is a solid crystal at room temperature, and is usually mass-produced in powder form. Solid LiD fuel may be produced by processing solid crystalline LiD into a spherical shape. Solid LiD fuel may also be produced by bonding together a pair of hemispherical capsules filled with powdered LiD. Solid crystalline LiOD (lithium deuterium hydroxide), which is more stable than solid crystalline LiD, may also be used. However, from the viewpoint of the efficiency of power generation energy, it is more preferable to use solid crystalline LiD.

〔実施形態5〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
[Embodiment 5]
Other embodiments of the present invention will be described below. For ease of explanation, the same reference numerals are given to members having the same functions as those described in the above embodiment, and the description thereof will not be repeated.

(レーザ核融合のシミュレーション)
上述の核融合燃料11に爆縮レーザ5および加熱レーザ6を照射することによって生じるレーザ核融合のシミュレーションを行った。本実施形態では、爆縮レーザ5および加熱レーザ6の照射条件と、当該照射条件に対応するシミュレーション結果とについて、説明する。
(Laser fusion simulation)
A simulation was performed on laser nuclear fusion that occurs by irradiating the above-mentioned nuclear fusion fuel 11 with the implosion laser 5 and the heating laser 6. In this embodiment, the irradiation conditions of the implosion laser 5 and the heating laser 6 and the simulation results corresponding to the irradiation conditions will be described.

本シミュレーションにおいて、爆縮レーザ5のピーク強度は、5×10^14W/cmと設定された。爆縮レーザ5のパルス幅は、60nsと設定された。爆縮レーザ5の波長は0.35μmと設定された。爆縮レーザ5のスポットサイズは900μm(爆縮前の核融合燃料11の半径)である。加熱レーザ6のピーク強度は、10^20~10^21W/cmと設定された。加熱レーザ6のパルス幅は、20psと設定された。加熱レーザ6の波長は0.53μmと設定された。加熱レーザ6のスポットサイズは40~100μm(おおよそ爆縮後の核融合燃料11の半径)である。 In this simulation, the peak intensity of the implosion laser 5 was set to 5×10^14 W/cm 2. The pulse width of the implosion laser 5 was set to 60 ns. The wavelength of the implosion laser 5 was set to 0.35 μm. The spot size of the implosion laser 5 was 900 μm (the radius of the fusion fuel 11 before implosion). The peak intensity of the heating laser 6 was set to 10^20-10^21 W/cm 2. The pulse width of the heating laser 6 was set to 20 ps. The wavelength of the heating laser 6 was set to 0.53 μm. The spot size of the heating laser 6 was 40-100 μm (approximately the radius of the fusion fuel 11 after implosion).

図12は、爆縮レーザ5の出力と核融合燃料11の圧縮を示す値との関係を示すグラフである。図12のグラフにおいて、縦軸は爆縮レーザ5による爆縮後の燃料密度半径積ρR(g/cm)を、横軸は爆縮レーザ5の出力Eimp(kJ)を表す。 12 is a graph showing the relationship between the power of the implosion laser 5 and a value indicating the compression of the fusion fuel 11. In the graph of FIG. 12, the vertical axis represents the fuel density radial product ρR (g/cm 2 ) after implosion by the implosion laser 5, and the horizontal axis represents the power output Eimp (kJ) of the implosion laser 5.

レーザ核融合のシミュレーションにより、本発明者らは、爆縮レーザ5の出力Eimpを10kJと設定した場合に、ρR=0.5g/cmを達成し、核融合反応が連鎖に転じることを確認した(図12の点Aに対応)。また、本発明者らは、爆縮レーザ5の出力Eimpを500kJと設定した場合に、ρR=2.4g/cmを達成し、核融合反応により発電可能であることを確認した(図12の点Bに対応)。また、これらのシミュレーション結果は、爆縮レーザ5の出力Eimpと爆縮後の燃料密度半径積ρRとが図12の直線のような線形の関係にあるといった理論上の計算結果と一致している。 By simulating laser nuclear fusion, the inventors have confirmed that when the output Eimp of the implosion laser 5 is set to 10 kJ, ρR=0.5 g/ cm2 is achieved, and the nuclear fusion reaction turns into a chain reaction (corresponding to point A in FIG. 12). In addition, the inventors have confirmed that when the output Eimp of the implosion laser 5 is set to 500 kJ, ρR=2.4 g/ cm2 is achieved, and power can be generated by the nuclear fusion reaction (corresponding to point B in FIG. 12). In addition, these simulation results are consistent with theoretical calculation results that the output Eimp of the implosion laser 5 and the fuel density radius product ρR after implosion have a linear relationship like the straight line in FIG. 12.

従来の中空構造の核融合燃料を用いるレーザ核融合の方式では、核融合反応により発電可能であるρRを達成するために要求される爆縮レーザの出力は5MJであった。一方、中実構造の核融合燃料11を用いるレーザ核融合の方式では、核融合反応により発電可能であるρRを達成するために要求される爆縮レーザの出力は500kJである。すなわち、従来のレーザ核融合の方式と比較し、中実構造の核融合燃料11を用いるレーザ核融合の方式では、爆縮レーザ5の出力を1/10程度に抑制することができる。 In conventional laser fusion methods using hollow fusion fuel, the output of the implosion laser required to achieve ρR at which electricity can be generated by fusion reactions is 5 MJ. On the other hand, in laser fusion methods using solid fusion fuel 11, the output of the implosion laser required to achieve ρR at which electricity can be generated by fusion reactions is 500 kJ. In other words, compared to conventional laser fusion methods, the output of the implosion laser 5 can be reduced to about 1/10 in laser fusion methods using solid fusion fuel 11.

図13は、爆縮レーザ5のパルス波形を示すグラフである。図13のグラフにおいて、縦軸は爆縮レーザ5の強度(W/cm)を、横軸は爆縮レーザ5の照射開始時からの経過時間(ns)を表す。破線は、コーン23を備えない燃料ペレット10に照射する爆縮レーザ5のパルス波形を示し、実線は、コーン23を備えた燃料ペレット20に照射する爆縮レーザ5のパルス波形を示す。 Fig. 13 is a graph showing the pulse waveform of the implosion laser 5. In the graph of Fig. 13, the vertical axis represents the intensity (W/ cm2 ) of the implosion laser 5, and the horizontal axis represents the elapsed time (ns) from the start of irradiation of the implosion laser 5. The dashed line represents the pulse waveform of the implosion laser 5 irradiating the fuel pellet 10 without the cone 23, and the solid line represents the pulse waveform of the implosion laser 5 irradiating the fuel pellet 20 with the cone 23.

図13に示すように、中実構造の核融合燃料11に照射される爆縮レーザ5のパルス波形は、段階的に強度が上がるように設定される。例えばコーン23を備えない燃料ペレット10の場合、爆縮レーザ5によって照射開始時から0ns、10ns、12ns、13ns、および13.5nsのそれぞれにおいて、爆縮レーザ5の強度を段階的に上げることで、合計5つの衝撃波を発生させている。また、これらの5つの衝撃波は核融合燃料11の中心に同時に到達するように設計されている。これにより、5つの衝撃波が重なり合い、中実構造の核融合燃料11に対する非常に高い圧力が実現する。当該圧力により、核融合燃料11が高密度に圧縮される。核融合燃料11の高密度の状態は、100ps程度の期間持続する。当該期間内に加熱レーザ6を核融合燃料11に照射し、ホットスパークを形成する。 As shown in FIG. 13, the pulse waveform of the implosion laser 5 irradiated to the solid fusion fuel 11 is set to increase in intensity in stages. For example, in the case of a fuel pellet 10 without a cone 23, the intensity of the implosion laser 5 is increased in stages at 0 ns, 10 ns, 12 ns, 13 ns, and 13.5 ns from the start of irradiation by the implosion laser 5, generating a total of five shock waves. In addition, these five shock waves are designed to reach the center of the fusion fuel 11 simultaneously. As a result, the five shock waves overlap, realizing extremely high pressure on the solid fusion fuel 11. The pressure compresses the fusion fuel 11 to a high density. The high density state of the fusion fuel 11 continues for a period of about 100 ps. During that period, the heating laser 6 is irradiated to the fusion fuel 11 to form a hot spark.

図14は、加熱レーザ6の各レーザ波長λL(λL=0.35μm、0.53μm、1.05μm)に対応する、核融合のエネルギー出力を示すグラフである。図15は、加熱レーザ6の各レーザ波長λLに対応する、核融合反応のために要求される電子のエネルギーおよび加熱レーザ6の出力を示す表である。図14のグラフにおいて、縦軸は核融合のエネルギー出力EF(MJ)を、横軸は加熱レーザ6によって発生させた電子のエネルギーEb(kJ)を表す。 Figure 14 is a graph showing the energy output of nuclear fusion corresponding to each laser wavelength λL (λL = 0.35 μm, 0.53 μm, 1.05 μm) of the heating laser 6. Figure 15 is a table showing the electron energy required for nuclear fusion reaction and the output of the heating laser 6 corresponding to each laser wavelength λL of the heating laser 6. In the graph of Figure 14, the vertical axis represents the energy output of nuclear fusion EF (MJ), and the horizontal axis represents the energy Eb (kJ) of the electrons generated by the heating laser 6.

図14に示すように、電子のエネルギーEbが特定の閾値を超えると、核融合点火が生じ、核融合のエネルギー出力EFが急激に(数百倍に)上昇する。また、このような電子のエネルギーEbの特定の閾値は、加熱レーザ6のレーザ波長λLによって変化する。λL=0.35μm、0.53μm、1.05μmの場合、電子のエネルギーEbの特定の閾値はそれぞれ、30kJ、35kJ、50kJである。すなわち、λL=0.35μm、0.53μm、1.05μmの場合、核融合反応のために要求される電子のエネルギーEbはそれぞれ、30kJ、35kJ、50kJとなる(図15も参照)。 As shown in FIG. 14, when the electron energy Eb exceeds a certain threshold, nuclear fusion ignition occurs and the nuclear fusion energy output EF rises rapidly (several hundred times). Furthermore, this specific threshold of the electron energy Eb varies depending on the laser wavelength λL of the heating laser 6. When λL=0.35 μm, 0.53 μm, and 1.05 μm, the specific threshold of the electron energy Eb is 30 kJ, 35 kJ, and 50 kJ, respectively. That is, when λL=0.35 μm, 0.53 μm, and 1.05 μm, the electron energy Eb required for the nuclear fusion reaction is 30 kJ, 35 kJ, and 50 kJ, respectively (see also FIG. 15).

核融合反応のために要求される電子のエネルギーEbを実現するための加熱レーザ6の出力は、加熱レーザ6から電子への変換効率に応じて異なる。加熱レーザ6から電子への変換効率を40%と仮定すると、図15に示すように、λL=0.35μm、0.53μm、1.05μmの場合、核融合反応のために要求される加熱レーザ6の出力はそれぞれ、75kJ、87.5kJ、125kJとなる。また、加熱レーザ6から電子への変換効率は、電子の発散角度によって異なる。したがって、核融合反応のために要求される加熱レーザ6の出力は、加熱レーザ6の波長λLおよび電子の発散角度により決定される。 The output of the heating laser 6 to achieve the electron energy Eb required for a nuclear fusion reaction varies depending on the conversion efficiency from the heating laser 6 to electrons. Assuming that the conversion efficiency from the heating laser 6 to electrons is 40%, as shown in FIG. 15, when λL = 0.35 μm, 0.53 μm, and 1.05 μm, the output of the heating laser 6 required for a nuclear fusion reaction is 75 kJ, 87.5 kJ, and 125 kJ, respectively. In addition, the conversion efficiency from the heating laser 6 to electrons varies depending on the divergence angle of the electrons. Therefore, the output of the heating laser 6 required for a nuclear fusion reaction is determined by the wavelength λL of the heating laser 6 and the divergence angle of the electrons.

(付記事項)
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
(Additional Notes)
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope of the claims. Embodiments obtained by appropriately combining the technical means disclosed in different embodiments are also included in the technical scope of the present invention.

例えば、上記実施形態では、慣性核融合に用いられる燃料ペレットに本発明の製造方法を適用しているが、これに限定されない。例えば、磁場核融合に用いられる燃料ペレットに本発明の製造方法を適用してもよい。また、X線、中性子、あるいはEUVの発生に用いられる連続駆動ターゲットに本発明の製造方法を適用してもよい。 For example, in the above embodiment, the manufacturing method of the present invention is applied to fuel pellets used in inertial confinement fusion, but is not limited to this. For example, the manufacturing method of the present invention may be applied to fuel pellets used in magnetic field fusion. Also, the manufacturing method of the present invention may be applied to a continuously driven target used to generate X-rays, neutrons, or EUV.

5、115 爆縮レーザ
6、116 加熱レーザ
10、20、30 燃料ペレット
11 核融合燃料(液体DT燃料)
12、22 カプセル(膜)
22a 貫通孔
23 コーン(誘導部材)
23a 頂点
33 フォーム(発泡体)
33a 細孔
5, 115 Implosion laser 6, 116 Heating laser 10, 20, 30 Fuel pellet 11 Fusion fuel (liquid DT fuel)
12, 22 Capsule (membrane)
22a Through hole 23 Cone (guiding member)
23a apex 33 foam
33a Pore

Claims (9)

核融合炉に連続射出する燃料ペレットの製造方法であって、
複数の球殻状の膜をチャンバ内に供給する供給ステップと、前記チャンバ内を減圧し、所定の真空度とする減圧ステップと、前記所定の真空度である前記チャンバ内において前記膜に核融合燃料を充填することにより複数の燃料ペレットを製造する充填ステップと、を含み、
前記燃料ペレットは、核融合燃料に対してレーザを照射することによって核融合反応を生じさせる慣性核融合に用いられる燃料ペレットであって、前記核融合燃料と、前記核融合燃料を内部に収容する球殻状の前記膜と、を備え、前記核融合燃料は、前記膜の中を、液体または固体の状態で満たしていることを特徴とする、燃料ペレットの製造方法。
A method for producing fuel pellets to be continuously injected into a nuclear fusion reactor , comprising the steps of:
The method includes a supply step of supplying a plurality of spherical shell-shaped membranes into a chamber, a depressurization step of depressurizing the chamber to a predetermined vacuum level, and a filling step of producing a plurality of fuel pellets by filling the membranes with fusion fuel in the chamber at the predetermined vacuum level,
The fuel pellets are fuel pellets used for inertial fusion, in which a fusion reaction is caused by irradiating a fusion fuel with a laser, and the fuel pellets comprise a spherical shell-shaped membrane that contains the fusion fuel, and the fusion fuel fills the membrane in a liquid or solid state.
前記核融合燃料は液体であることを特徴とする請求項1に記載の燃料ペレットの製造方法。 The method for producing fuel pellets according to claim 1, characterized in that the fusion fuel is liquid. 前記核融合燃料は固体であることを特徴とする請求項1に記載の燃料ペレットの製造方法。 The method for producing fuel pellets according to claim 1, characterized in that the fusion fuel is solid. 前記膜は、プラスチック製であることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の燃料ペレットの製造方法。 The method for manufacturing fuel pellets according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the membrane is made of plastic. 前記燃料ペレットは、円錐形状を有し、前記円錐形状の底面側から頂点側へ前記レーザを誘導する誘導部材をさらに備え、
前記膜は貫通孔を有し、
前記誘導部材の前記円錐形状の頂点側が前記貫通孔に挿入されている、請求項1から4のいずれか1項に記載の燃料ペレットの製造方法。
The fuel pellet has a conical shape and further includes a guide member that guides the laser from a bottom side to a top side of the cone shape.
The membrane has a through hole,
The method for producing fuel pellets according to claim 1 , wherein an apex side of the cone shape of the guide member is inserted into the through hole.
核融合燃料にレーザを照射することによって核融合反応を生じさせる慣性核融合に用いられる燃料ペレットであって、
前記核融合燃料と、
複数の細孔を有し、当該細孔内に前記核融合燃料を収容する球状の発泡体と、を備え、
前記核融合燃料は、前記細孔の中を、液体または固体の状態で満たしており、前記発泡体は中実構造であることを特徴とする、燃料ペレット。
A fuel pellet for use in inertial fusion in which a fusion reaction occurs by irradiating a fusion fuel with a laser,
the fusion fuel;
a spherical foam having a plurality of pores and containing the fusion fuel within the pores;
A fuel pellet, characterized in that the fusion fuel fills the pores in a liquid or solid state, and the foam has a solid structure.
請求項6に記載の燃料ペレットの製造方法であって、
複数の前記発泡体をチャンバ内に供給する供給ステップと、前記チャンバ内を減圧し、所定の真空度とする減圧ステップと、前記所定の真空度である前記チャンバ内において前記発泡体に前記核融合燃料を充填する充填ステップと、を含む燃料ペレットの製造方法。
A method for producing fuel pellets according to claim 6, comprising the steps of:
A method for manufacturing fuel pellets, comprising: a supplying step of supplying a plurality of the foam bodies into a chamber; a depressurizing step of reducing the pressure inside the chamber to a predetermined vacuum level; and a filling step of filling the foam bodies with the fusion fuel inside the chamber at the predetermined vacuum level.
請求項6に記載の燃料ペレットを用いる核融合炉。 A nuclear fusion reactor using the fuel pellets described in claim 6. 請求項6に記載の燃料ペレットに爆縮レーザおよび加熱レーザを照射する核融合方法。 A nuclear fusion method in which the fuel pellets described in claim 6 are irradiated with an implosion laser and a heating laser.
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