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JP3700496B2 - Inertial electrostatic confinement fusion device - Google Patents

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JP3700496B2
JP3700496B2 JP31194599A JP31194599A JP3700496B2 JP 3700496 B2 JP3700496 B2 JP 3700496B2 JP 31194599 A JP31194599 A JP 31194599A JP 31194599 A JP31194599 A JP 31194599A JP 3700496 B2 JP3700496 B2 JP 3700496B2
Authority
JP
Japan
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anode
ion
electrostatic confinement
confinement fusion
inertial electrostatic
Prior art date
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一浩 竹内
幸雄 川久保
政信 田中
隆司 岡崎
佳也 樋口
嘉彦 長峯
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/10Nuclear fusion reactors

Landscapes

  • Plasma Technology (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、慣性静電閉じ込め核融合装置に係り、特に、中性子または荷電粒子を発生させるのに好適な慣性静電閉じ込め核融合装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、慣性静電閉じ込め装置については、「プラズマ・核融合学会誌」第73巻第10号第1080頁から第1085頁」に詳しく述べられている。球形の真空容器内に直径数10cmの球形の陽極を配置し、この陽極の内側に、格子状の直径数cmの球形の陰極を配置している。陽極と陰極との間に、数10〜100kVの高電圧を印加する。水素ガスのグロー放電により水素イオンが生成され、この水素イオンが陰極に向って加速される。格子状の陰極内部で水素イオン同士が衝突することにより、核融合反応が生じ、中性子または荷電粒子が発生する。陰極中心部に向かって加速された水素イオンは、核融合反応を起こさず中心部を通過した後も、高電圧による電界に引き戻され、再び中心部に戻ることを繰り返し、この往復運動により核融合反応の発生率はさらに高まる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、グロー放電により水素イオンが生成されるイオン生成領域と、水素イオンの加速領域とが同一である。
【0004】
発明者等は、イオン生成領域とイオン加速領域が同一であるので、イオンの生成効率及びイオンの加速効率が低くせざるを得ないという問題点があることを発見した。すなわち、グロー放電に最適な圧力と、水素イオンの加速に最適な圧力とが異なるため、水素イオンの生成に適当な圧力を選べば水素イオンの加速の加速効率が悪く、水素イオンの加速が良好な圧力では、水素イオンの生成効率が悪くなる。以上述べた圧力は、何れも真空容器内の圧力である。
【0005】
更に、その問題点を具体的に説明する。グロー放電には約1mTorr(133mPa)以上の圧力が必要である。一方、この圧力の水素ガス中での水素イオンの平均自由行程は14.2cm であり、陽極の直径数10cmよりも小さい。したがって、水素イオンは、陰極に向けて加速される途中で中性ガスと衝突し、エネルギを失う。核融合反応発生率は水素イオンのエネルギに大きく依存し、100keV程度までのエネルギ領域では、10%のエネルギ差が1桁近い核融合反応断面積の差となる。
【0006】
水素イオンの平均自由行程は、圧力に逆比例するため、圧力を0.1mTorr (13.3mPa)とすれば、平均自由行程は142cmとなり、陽極直径よりも大きく、水素イオンの加速効率および核融合反応率は向上する。しかし、この場合、グロー放電によりプラズマを生成することは困難になる。つまり、イオンの平均自由行程が大きい場合、イオンが中性原子・分子を衝突電離する確率が小さく、したがってグロー放電を維持することが難しい。このように、グロー放電効率とイオン加速効率とは相反する要求であり、従来技術では、圧力を両者の妥協点に設定している。
【0007】
本発明の目的は、イオンの生成効率及びイオンの加速効率を向上できる慣性静電閉じ込め核融合装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成する本発明の特徴は、真空容器を備え、前記真空容器内のイオン生成領域で生じたイオンを前記真空容器内のイオン加速領域で加速する慣性静電閉じ込め核融合装置において、前記イオン加速領域内の圧力を前記イオン生成領域内の圧力よりも小さくする手段を備えたことにある。
【0009】
イオン加速領域内の圧力をイオン生成領域内の圧力よりも小さくできるので、イオン生成領域は圧力を高く、イオン加速領域は圧力を低くすることができる。従って、イオン生成効率および加速効率を向上させることができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明は、発明者等が得た新たな知見である、従来技術の問題点を解消するためになされたものである。
【0011】
本発明の好適な一実施例である慣性静電閉じ込め核融合装置を、図1及び図2を用いて以下に説明する。本実施例の慣性静電閉じ込め核融合装置は、真空容器1,陽極2,陰極3,排気管9及び真空ポンプ10を備える。球状の陽極2は、真空容器1内に配置される。格子状で球形の陰極3は、陽極2の内側に配置される。陰極3は電流導入端子11に接続される。グロー電極4は、真空容器1内で陽極2の外側に配置される。グロー電極4は、陽極2を取囲んでいる。陽極2は、8個のイオン引出し口7を有し、更に真空排気口8を有する。真空排気口8は1つであり、その面積は全イオン引出し口7の合計面積よりも大きい。真空排気口8は、真空ポンプ10に接続される排気管9に連絡される。ガス供給管12が真空容器1に接続される。陽極2と真空容器1は、同電位とし、機械的にも接続されている。陰極3には電流導入端子11により−100kVの電圧が印加される。
【0012】
真空ポンプ10が駆動され、陽極2より内側の空間のガスが真空排気口8から吸引されて排気管9を通して排気される。このため、陽極4より内側の空間、すなわちイオン加速領域6が負圧に維持される。イオン生成領域5(陽極4より外側の空間)内のガスも、陽極2に設けられたイオン引出し口7を介してイオン加速領域6内に吸引され、排気管9を通して排気される。このため、イオン生成領域5も負圧に維持される。イオン引出し口7はイオン生成領域5からイオン加速領域6へのガスの吸気口を兼ねている。
【0013】
水素ガスがガス供給口12より真空容器1内に供給される。グロー電極4と陽極1の間に数100Vの電圧を印加することにより、グロー放電を起こしイオンを生成する。イオン生成領域5で生成されたイオン13は、イオン引出し口7を通ってイオン加速領域6内に達し、ここで陰極3に向かって加速される。加速された各イオンが陰極3内で衝突することによって核融合反応が生じ、中性子及び荷電粒子(例えば、陽子)を発生する。
【0014】
イオン生成領域5をイオンの生成に適切な高圧力とし、イオン加速領域6をイオンの加速に適切な低圧力とするには、前述したように、イオン引出し口7の全面積よりも、真空排気口8の断面積をより大きくすればよい。これについて以下に具体的に説明する。
【0015】
陽極2の直径は約30cmであり、陽極2に設けられた8個のイオン引出し口7の各直径は10mmである。このとき、このイオン引出し口7のコンダクタンスは、
C1=120(リットル/s)
である。また、真空排気口8の直径は100mmである。イオン引出し口7のコンダクタンスは
C2=1500(リットル/s)
となる。イオン生成領域5の圧力をP1、イオン加速領域6の圧力をP2としたとき、P1=0.001(Torr),P2=0.0002(Torr)となるように、真空ポンプ10により差動排気する。このとき、排気管9を通して排出されるガスの流量Qは、
Q=C1(P1−P2)=0.096(Torr.リットル/s)
となる。真空排気口8の下流側、すなわち排気管9内の圧力P3、及び真空ポンプ10の排気速度Sは、
Q=C2(P2−P3)
∴ P3=P2−Q/C2=0.000136(Torr)
S=Q/P3=706(リットル/s)
となる。すなわち、到達圧力0.1(mTorr),排気速度700(リットル/s)以上の能力を有する真空ポンプ10が必要である。その能力を有する真空ポンプ10としては、中型以下の拡散ポンプが適当である。
【0016】
イオン生成領域5の圧力は0.001Torr となり、グロー放電を生じさせるための必要条件は満たされる。イオン生成領域5で1cm3 当り1×1011個の重水素イオンが生成されている場合、電子温度が2eVであるとき、イオン飽和電流密度は9.6mA/cm2となる。従って、直径10mm(面積0.785cm2)の1つのイオン引出し口7から引き出せる電流の最大値は約7.5mA であり、8個のイオン引出し口7では合計60mAとなる。電流値をさらに増加させるには、プラズマ引出し口7の個数を増やせばよいが、真空ポンプ10の排気速度を上述よりも大きくする必要があり、真空ポンプ10が大型化する。
【0017】
イオン加速領域6の圧力はイオン生成領域5のそれよりも低い0.0002Torrとなり、水素イオンの平均自由行程は71cmとなって陽極2の直径よりも十分大きく、イオン加速効率も向上する。
【0018】
本実施例は、真空排気口8の全面積が全イオン引出し口7の合計面積よりも大きくし、イオン加速領域6を真空ポンプ10で吸引している。真空排気口8とイオン引出し口7との面積の差、すなわちコンダクタンスの差により、陽極2で仕切られたイオン生成領域5及びイオン加速領域6の圧力を適切な値に維持できかつイオン加速領域6の圧力をイオン生成領域5の圧力よりも低くすることができる。このため、それぞれを適切な値に設定できるので、イオン生成効率および加速効率を向上させることができる。
【0019】
本発明の第2の実施例である慣性静電閉じ込め核融合装置を、図3を用いて説明する。図3において、13はイオンを示しており、イオン加速領域6内の等高線14は、陽極2と陰極3の間の等電位面を示している。本実施例では、実施例1の構成に導電体格子15を設けたものであり、他の構成は実施例1と同じである。導電体格子15は真空排気口8に設置される。
【0020】
真空容器1の内部、陽極2の背面(イオン生成領域5)で生成されたイオン13は、イオン引出し口7からイオン加速領域6内に電界によって引き出され、陰極3へ向かって加速される。図3に示すように、イオン引出し口7近傍では、等電位面14が変形し、電界がイオン引出し口7の中へ入り込むことにより、イオン13をイオン加速領域6内に引き出すことができる。しかし、反面、イオン引出し口7部分での電界は歪むため、中心部の陰極3に向かう方向(半径方向)に直交する方向(周方向)の運動量をイオン13に与え、これが陰極3内部でのイオン13同士の衝突確率を下げることになる。導電体格子15がない場合、真空排気口8において、イオン引出し口7の部分以上に大きい電界の歪みが発生する。導電体格子15を設けた場合、導電体格子15表面は陽極3と同電位となるので、図3に示すように電界の歪みは発生しない。また、導電体格子15は格子であるため、真空排気のためのコンダクタンスが損なわれることはない。
【0021】
陽極2の直径を30cm、真空排気口8の直径を10cmとすると、両者の面積比は36である。歪んだ電界により軌道を曲げられたイオン13が陰極3の中心部に収束できないと仮定すれば、その影響は1/36である。核融合反応率は、イオン電流値の2乗に比例するので、本実施例を用いない場合、核融合反応率が (35/36)の2乗倍、すなわち94.5%に低下する。以上述べたように、本実施例によれば、真空排気口8での電場の歪みを抑制できるので、イオン軌道の歪みによる核融合反応率の約5%の低下を防ぐことができる。また、真空排気口8が陽極2に対して相対的に大きくなれば、本実施例を用いない場合の反応率の低下は、さらに大きい。本実施例は、第1実施例と同様に、イオン加速領域6の圧力をイオン生成領域5の圧力よりも低くすることができるので、実施例1と同様な効果を得ることができる。
【0022】
本発明の第3の実施例である慣性静電閉じ込め核融合装置を、図4を用いて説明する。本実施例は、第2実施例の構成に、導電体格子16を付加したものである。導電体格子16は、陽極2の内面に設置されている。
【0023】
導電体格子16を設けることにより、導電体格子16の表面が等電位面となる。イオン引出し口7からイオン加速領域6内に引出されて加速されたイオン13は、核融合反応、及び陰極3との衝突で失われない場合、図4の矢印に示したように再び陽極2の近傍に戻る。このとき、イオン13が保有するエネルギーは、イオン引出し口7から引出し時のエネルギーと同じ値であり、ほぼ0である。このため、イオン軌道上の運動においてわずかでもエネルギー損失があれば、イオン13は陽極壁に衝突して失われることはない。しかし、エネルギー損失がない場合、あるいは、他のイオンからエネルギーを受け取った場合には、イオン13は陽極壁に衝突し失われる可能性がある。導電体格子16を設けることにより、その格子位置でイオンのエネルギーは0となり、ほぼ静止状態のイオン13が導電体格子16と陽極2の間に蓄積される。この部分の電位は、イオン13が集まることによって陽極2よりもさらに正となり、それ以上のイオン13が陽極壁に衝突することを防止する。従って、本実施例によれば、陽極壁への衝突によるイオンの消滅を抑制することができる。本実施例は、第2実施例で生じる効果も得ることができる。
【0024】
本発明の第4の実施例である慣性静電閉じ込め核融合装置を、図5を用いて説明する。本実施例は、第3実施例に誘電体17を設置したものである。誘電体17は、陽極2と導電体格子16との間に設置される。本実施例では、導電体格子16の表面において速度が0にならないイオン13が誘電体17に衝突する。この結果、誘電体17の電位を陽極2以上に押し上げる。これにより、定常状態に達した後では、イオン13は、誘電体17の電位に跳ね返され、誘電体17または陽極2及び導電体格子16に衝突しない。このため、イオンの損失を防ぐことができる。本実施例は、第3実施例と同じ効果を得ることができる。
【0025】
本発明の第5の実施例である慣性静電閉じ込め核融合装置を、図6により説明する。本実施例は、第2実施例の構成に冷却配管18を付加したものである。冷却配管18は陽極2の外面に設置されている。冷却配管18の設置により、陽極温度を、冷却配管18内を流れる冷媒の温度程度、例えばその冷媒が水であるならば100℃程度とすることができる。図1に示したように、陰極3は電流導入端子である排気管9のみにより支持されているので、イオンの衝突による損失を防ぐため、陰極自身に冷却構造をつけることは難しい。従って、陰極3は輻射冷却のみにより冷却される。このため、陰極3を取り巻く陽極2の温度を下げることにより、陰極の冷却効率を向上できる。本実施例は第2実施例で生じる効果も得ることができる。本実施例で用いられる冷却配管18は、第2実施例以外の他の実施例にも適用できる。
【0026】
本発明の第6の実施例である慣性静電閉じ込め核融合装置を、図7を用いて説明する。本実施例は、第1実施例の構成に永久磁石19を付加したものである。永久磁石19は、隣り合う磁石の極性が異なるように真空容器1の表面に取り付けられる。永久磁石19の作用により磁力線20が発生するので、イオンが磁力線20を横切って運動し難いことにより、真空容器壁への衝突によるイオンの損失を抑制することができる。また、磁場は互いに反転しているため、イオン加速領域での磁場は非常に弱く、イオン加速軌道には影響しない。したがって、本実施例によれば、真空容器内部で生成するイオンの密度を上げることができ、核融合反応に関わるイオン数を増やすことができる。本実施例は、第1実施例で生じる効果も得ることができる。永久磁石19は第2実施例から第5実施例のいずれにも適用できる。
【0027】
【発明の効果】
本発明によれば、イオンの生成効率及びイオンの加速効率を向上させることができる。これにより、陰極内での核融合反応率を向上でき、発生する中性子及び荷電粒子の強度を増加できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例である慣性静電閉じ込め核融合装置の縦断面図である。
【図2】図1の排気管を有する陽極の斜視図である。
【図3】本発明の第2の実施例である慣性静電閉じ込め核融合装置の縦断面図である。
【図4】本発明の第3の実施例である慣性静電閉じ込め核融合装置の縦断面図である。
【図5】本発明の第4の実施例である慣性静電閉じ込め核融合装置の縦断面図である。
【図6】本発明の第5の実施例である慣性静電閉じ込め核融合装置の縦断面図である。
【図7】本発明の第6の実施例である慣性静電閉じ込め核融合装置の縦断面図である。
【符号の説明】
1…真空容器、2…陽極、3…陰極、4…グロー電極、5…イオン生成領域、6…イオン加速領域、7…イオン引出し口、8…真空排気口、9…排気管、10…真空ポンプ、12…ガス供給口、13…イオン、15,16…導電体格子、17…誘電体、18…冷却配管、19…永久磁石。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an inertial electrostatic confinement fusion apparatus, and more particularly to an inertial electrostatic confinement fusion apparatus suitable for generating neutrons or charged particles.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, the inertial electrostatic confinement device is described in detail in “Journal of Plasma and Fusion Research” Vol. 73, No. 10, pages 1080 to 1085 ”. A spherical anode having a diameter of several tens of centimeters is disposed in a spherical vacuum vessel, and a spherical cathode having a lattice shape of several centimeters in diameter is disposed inside the anode. A high voltage of several tens to 100 kV is applied between the anode and the cathode. Hydrogen ions are generated by glow discharge of hydrogen gas, and the hydrogen ions are accelerated toward the cathode. When hydrogen ions collide with each other inside the lattice-like cathode, a nuclear fusion reaction occurs, and neutrons or charged particles are generated. The hydrogen ions accelerated toward the cathode center are pulled back to the electric field due to the high voltage after passing through the center without causing a nuclear fusion reaction, and return to the center again. The rate of reaction is further increased.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In the above prior art, the ion generation region where hydrogen ions are generated by glow discharge and the acceleration region of hydrogen ions are the same.
[0004]
The inventors have found that the ion generation region and the ion acceleration region are the same, so that there is a problem that the ion generation efficiency and the ion acceleration efficiency must be lowered. In other words, the optimum pressure for glow discharge and the optimum pressure for acceleration of hydrogen ions are different. Therefore, if an appropriate pressure is selected for the generation of hydrogen ions, acceleration efficiency of acceleration of hydrogen ions is poor, and acceleration of hydrogen ions is good. At a high pressure, the generation efficiency of hydrogen ions is deteriorated. The above-mentioned pressures are all pressures in the vacuum vessel.
[0005]
Furthermore, the problem is demonstrated concretely. The glow discharge requires a pressure of about 1 mTorr (133 mPa) or more. On the other hand, the mean free path of hydrogen ions in hydrogen gas at this pressure is 14.2 cm, which is smaller than the anode diameter of several tens of cm. Accordingly, the hydrogen ions collide with the neutral gas while being accelerated toward the cathode, and lose energy. The fusion reaction rate greatly depends on the energy of hydrogen ions, and in the energy region up to about 100 keV, an energy difference of 10% becomes a difference in the fusion reaction cross-sectional area close to one digit.
[0006]
Since the mean free path of hydrogen ions is inversely proportional to the pressure, if the pressure is 0.1 mTorr (13.3 mPa), the mean free path is 142 cm, which is larger than the anode diameter, and the acceleration efficiency and fusion of hydrogen ions The reaction rate is improved. However, in this case, it is difficult to generate plasma by glow discharge. In other words, when the mean free path of ions is large, the probability that ions ionize and neutralize neutral atoms / molecules is small, and it is therefore difficult to maintain glow discharge. Thus, the glow discharge efficiency and the ion acceleration efficiency are contradictory requirements, and in the conventional technology, the pressure is set as a compromise between the two.
[0007]
An object of the present invention is to provide an inertial electrostatic confinement fusion apparatus capable of improving ion generation efficiency and ion acceleration efficiency.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
A feature of the present invention that achieves the above object is an inertial electrostatic confinement fusion apparatus that includes a vacuum vessel and accelerates ions generated in an ion generation region in the vacuum vessel in an ion acceleration region in the vacuum vessel. There is provided means for making the pressure in the ion acceleration region smaller than the pressure in the ion generation region.
[0009]
Since the pressure in the ion acceleration region can be smaller than the pressure in the ion generation region, the pressure can be increased in the ion generation region, and the pressure can be decreased in the ion acceleration region. Therefore, ion generation efficiency and acceleration efficiency can be improved.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention has been made to solve the problems of the prior art, which are new findings obtained by the inventors.
[0011]
An inertial electrostatic confinement fusion apparatus, which is a preferred embodiment of the present invention, will be described below with reference to FIGS. The inertial electrostatic confinement fusion apparatus of this embodiment includes a vacuum vessel 1, an anode 2, a cathode 3, an exhaust pipe 9, and a vacuum pump 10. The spherical anode 2 is disposed in the vacuum vessel 1. The grid-like and spherical cathode 3 is arranged inside the anode 2. The cathode 3 is connected to the current introduction terminal 11. The glow electrode 4 is disposed outside the anode 2 in the vacuum vessel 1. The glow electrode 4 surrounds the anode 2. The anode 2 has eight ion extraction ports 7 and further has a vacuum exhaust port 8. There is one vacuum exhaust port 8, and the area thereof is larger than the total area of all the ion extraction ports 7. The vacuum exhaust port 8 communicates with an exhaust pipe 9 connected to the vacuum pump 10. A gas supply pipe 12 is connected to the vacuum vessel 1. The anode 2 and the vacuum vessel 1 are at the same potential and are mechanically connected. A voltage of −100 kV is applied to the cathode 3 from the current introduction terminal 11.
[0012]
The vacuum pump 10 is driven, and the gas in the space inside the anode 2 is sucked from the vacuum exhaust port 8 and exhausted through the exhaust pipe 9. For this reason, the space inside the anode 4, that is, the ion acceleration region 6 is maintained at a negative pressure. The gas in the ion generation region 5 (the space outside the anode 4) is also sucked into the ion acceleration region 6 through the ion extraction port 7 provided in the anode 2 and exhausted through the exhaust pipe 9. For this reason, the ion generation region 5 is also maintained at a negative pressure. The ion extraction port 7 also serves as a gas intake port from the ion generation region 5 to the ion acceleration region 6.
[0013]
Hydrogen gas is supplied into the vacuum container 1 from the gas supply port 12. By applying a voltage of several hundred volts between the glow electrode 4 and the anode 1, glow discharge is caused to generate ions. The ions 13 generated in the ion generation region 5 reach the ion acceleration region 6 through the ion extraction port 7 and are accelerated toward the cathode 3 here. Each accelerated ion collides in the cathode 3 to cause a fusion reaction, generating neutrons and charged particles (for example, protons).
[0014]
In order to set the ion generation region 5 to a high pressure suitable for the generation of ions and the ion acceleration region 6 to a low pressure suitable for the acceleration of ions, as described above, the vacuum evacuation is performed rather than the entire area of the ion extraction port 7. What is necessary is just to make the cross-sectional area of the opening | mouth 8 larger. This will be specifically described below.
[0015]
The diameter of the anode 2 is about 30 cm, and the diameter of each of the eight ion extraction ports 7 provided in the anode 2 is 10 mm. At this time, the conductance of the ion extraction port 7 is
C1 = 120 (liter / s)
It is. The diameter of the vacuum exhaust port 8 is 100 mm. The conductance of the ion extraction port 7 is C2 = 1500 (liter / s)
It becomes. When the pressure of the ion generation region 5 is P1 and the pressure of the ion acceleration region 6 is P2, differential pumping is performed by the vacuum pump 10 so that P1 = 0.001 (Torr) and P2 = 0.0002 (Torr). To do. At this time, the flow rate Q of the gas discharged through the exhaust pipe 9 is
Q = C1 (P1-P2) = 0.096 (Torr. Liter / s)
It becomes. The downstream side of the vacuum exhaust port 8, that is, the pressure P3 in the exhaust pipe 9, and the exhaust speed S of the vacuum pump 10 are:
Q = C2 (P2-P3)
∴ P3 = P2-Q / C2 = 0.000136 (Torr)
S = Q / P3 = 706 (liter / s)
It becomes. That is, the vacuum pump 10 having the ability of the ultimate pressure 0.1 (mTorr) and the exhaust speed 700 (liter / s) or more is necessary. As the vacuum pump 10 having such capability, a medium-sized or lower diffusion pump is suitable.
[0016]
The pressure in the ion generation region 5 is 0.001 Torr, and the necessary conditions for causing glow discharge are satisfied. When 1 × 10 11 deuterium ions are generated per 1 cm 3 in the ion generation region 5, the ion saturation current density is 9.6 mA / cm 2 when the electron temperature is 2 eV. Therefore, the maximum value of the current that can be extracted from one ion extraction port 7 having a diameter of 10 mm (area 0.785 cm 2 ) is approximately 7.5 mA, and the total of eight ion extraction ports 7 is 60 mA. In order to further increase the current value, the number of the plasma extraction ports 7 may be increased. However, the exhaust speed of the vacuum pump 10 needs to be larger than the above, and the vacuum pump 10 is increased in size.
[0017]
The pressure in the ion acceleration region 6 is 0.0002 Torr lower than that in the ion generation region 5, the mean free path of hydrogen ions is 71 cm, which is sufficiently larger than the diameter of the anode 2, and the ion acceleration efficiency is improved.
[0018]
In this embodiment, the total area of the vacuum exhaust port 8 is larger than the total area of all the ion extraction ports 7, and the ion acceleration region 6 is sucked by the vacuum pump 10. Due to the difference in area between the vacuum exhaust port 8 and the ion extraction port 7, that is, the difference in conductance, the pressure in the ion generation region 5 and the ion acceleration region 6 partitioned by the anode 2 can be maintained at appropriate values and the ion acceleration region 6 can be maintained. Can be made lower than the pressure in the ion generation region 5. For this reason, since each can be set to an appropriate value, ion production efficiency and acceleration efficiency can be improved.
[0019]
An inertial electrostatic confinement fusion apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 3, 13 indicates ions, and a contour line 14 in the ion acceleration region 6 indicates an equipotential surface between the anode 2 and the cathode 3. In the present embodiment, the conductor grid 15 is provided in the configuration of the first embodiment, and other configurations are the same as those of the first embodiment. The conductor grid 15 is installed at the vacuum exhaust port 8.
[0020]
Ions 13 generated inside the vacuum chamber 1 and on the back surface of the anode 2 (ion generation region 5) are extracted from the ion extraction port 7 into the ion acceleration region 6 by an electric field and accelerated toward the cathode 3. As shown in FIG. 3, in the vicinity of the ion extraction port 7, the equipotential surface 14 is deformed, and the electric field enters the ion extraction port 7, whereby the ions 13 can be extracted into the ion acceleration region 6. However, since the electric field at the ion extraction port 7 is distorted, momentum in the direction (circumferential direction) perpendicular to the direction (radial direction) toward the cathode 3 at the center is given to the ions 13, The collision probability between the ions 13 is lowered. In the absence of the conductor grid 15, a large electric field distortion is generated in the vacuum exhaust port 8 more than the portion of the ion extraction port 7. When the conductor grid 15 is provided, the surface of the conductor grid 15 has the same potential as that of the anode 3, so that no electric field distortion occurs as shown in FIG. 3. Further, since the conductor lattice 15 is a lattice, the conductance for evacuation is not impaired.
[0021]
If the diameter of the anode 2 is 30 cm and the diameter of the vacuum exhaust port 8 is 10 cm, the area ratio between them is 36. If it is assumed that the ions 13 whose trajectories are bent by the distorted electric field cannot converge at the center of the cathode 3, the effect is 1/36. Since the nuclear fusion reaction rate is proportional to the square of the ion current value, when this example is not used, the nuclear fusion reaction rate is reduced to the square of (35/36), that is, 94.5%. As described above, according to the present embodiment, since the distortion of the electric field at the vacuum exhaust port 8 can be suppressed, it is possible to prevent a decrease of about 5% in the fusion reaction rate due to the distortion of the ion orbit. Moreover, if the vacuum exhaust port 8 becomes relatively large with respect to the anode 2, the reduction in the reaction rate when the present embodiment is not used is even greater. In the present embodiment, since the pressure in the ion acceleration region 6 can be made lower than the pressure in the ion generation region 5 as in the first embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
[0022]
An inertial electrostatic confinement fusion apparatus according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, a conductor grid 16 is added to the configuration of the second embodiment. The conductor grid 16 is installed on the inner surface of the anode 2.
[0023]
By providing the conductor grid 16, the surface of the conductor grid 16 becomes an equipotential surface. When the ions 13 extracted and accelerated from the ion extraction port 7 into the ion acceleration region 6 are not lost by the fusion reaction and the collision with the cathode 3, as shown by the arrows in FIG. Return to the neighborhood. At this time, the energy held by the ions 13 is the same value as the energy at the time of extraction from the ion extraction port 7 and is almost zero. For this reason, if there is even a slight energy loss in the movement on the ion orbit, the ions 13 do not collide with the anode wall and are lost. However, when there is no energy loss or when energy is received from other ions, the ions 13 may collide with the anode wall and be lost. By providing the conductor lattice 16, the energy of ions becomes 0 at the lattice position, and the substantially stationary ions 13 are accumulated between the conductor lattice 16 and the anode 2. The potential of this portion becomes even more positive than that of the anode 2 due to the collection of ions 13, and prevents further ions 13 from colliding with the anode wall. Therefore, according to this embodiment, the disappearance of ions due to the collision with the anode wall can be suppressed. This embodiment can also obtain the effects produced in the second embodiment.
[0024]
An inertial electrostatic confinement fusion apparatus according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, a dielectric 17 is provided in the third embodiment. The dielectric 17 is disposed between the anode 2 and the conductor grid 16. In this embodiment, ions 13 whose velocity is not zero collide with the dielectric 17 on the surface of the conductor lattice 16. As a result, the potential of the dielectric 17 is pushed up to the anode 2 or higher. Thereby, after reaching a steady state, the ions 13 are rebounded to the potential of the dielectric 17 and do not collide with the dielectric 17 or the anode 2 and the conductor lattice 16. For this reason, loss of ions can be prevented. This embodiment can obtain the same effect as the third embodiment.
[0025]
An inertial electrostatic confinement fusion apparatus according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, a cooling pipe 18 is added to the configuration of the second embodiment. The cooling pipe 18 is installed on the outer surface of the anode 2. By installing the cooling pipe 18, the anode temperature can be set to about the temperature of the refrigerant flowing in the cooling pipe 18, for example, about 100 ° C. if the refrigerant is water. As shown in FIG. 1, since the cathode 3 is supported only by the exhaust pipe 9 which is a current introduction terminal, it is difficult to attach a cooling structure to the cathode itself in order to prevent loss due to ion collision. Therefore, the cathode 3 is cooled only by radiation cooling. For this reason, the cooling efficiency of the cathode can be improved by lowering the temperature of the anode 2 surrounding the cathode 3. This embodiment can also obtain the effects produced in the second embodiment. The cooling pipe 18 used in the present embodiment can be applied to other embodiments other than the second embodiment.
[0026]
An inertial electrostatic confinement fusion apparatus according to a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, a permanent magnet 19 is added to the configuration of the first embodiment. The permanent magnet 19 is attached to the surface of the vacuum vessel 1 so that the polarities of adjacent magnets are different. Since the lines of magnetic force 20 are generated by the action of the permanent magnet 19, it is difficult for ions to move across the lines of magnetic force 20, so that loss of ions due to collision with the vacuum vessel wall can be suppressed. In addition, since the magnetic fields are reversed, the magnetic field in the ion acceleration region is very weak and does not affect the ion acceleration orbit. Therefore, according to the present Example, the density of the ion produced | generated inside a vacuum vessel can be raised, and the number of ions related to a fusion reaction can be increased. This embodiment can also obtain the effects produced in the first embodiment. The permanent magnet 19 can be applied to any of the second to fifth embodiments.
[0027]
【The invention's effect】
According to the present invention, ion generation efficiency and ion acceleration efficiency can be improved. Thereby, the fusion reaction rate in the cathode can be improved, and the intensity of generated neutrons and charged particles can be increased.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an inertial electrostatic confinement fusion apparatus according to a first embodiment of the present invention.
2 is a perspective view of an anode having the exhaust pipe of FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a longitudinal sectional view of an inertial electrostatic confinement fusion apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a longitudinal sectional view of an inertial electrostatic confinement fusion apparatus according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a longitudinal sectional view of an inertial electrostatic confinement fusion apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a longitudinal sectional view of an inertial electrostatic confinement fusion apparatus according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a longitudinal sectional view of an inertial electrostatic confinement fusion apparatus according to a sixth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Vacuum container, 2 ... Anode, 3 ... Cathode, 4 ... Glow electrode, 5 ... Ion production area, 6 ... Ion acceleration area, 7 ... Ion extraction port, 8 ... Vacuum exhaust port, 9 ... Exhaust pipe, 10 ... Vacuum Pump, 12 ... gas supply port, 13 ... ion, 15, 16 ... conductor grid, 17 ... dielectric, 18 ... cooling pipe, 19 ... permanent magnet.

Claims (8)

真空容器を備え、前記真空容器内のイオン生成領域で生じたイオンを前記真空容器内のイオン加速領域で加速する慣性静電閉じ込め核融合装置において、
前記イオン加速領域内の圧力を前記イオン生成領域内の圧力よりも小さくする手段を備えたことを特徴とする慣性静電閉じ込め核融合装置。
In an inertial electrostatic confinement fusion apparatus that includes a vacuum vessel and accelerates ions generated in an ion generation region in the vacuum vessel in an ion acceleration region in the vacuum vessel,
An inertial electrostatic confinement fusion apparatus comprising means for making the pressure in the ion acceleration region smaller than the pressure in the ion generation region.
真空容器と、真空容器内に配置された陽極と、前記陽極付近で生成されたイオンが加速されて向かう陰極とを備えた慣性静電閉じ込め核融合装置において、
前記陽極に排気口を設け、前記陽極の内側からの排気を前記排気口に連絡される排気手段によって前記真空容器外に排気することを特徴とする慣性静電閉じ込め核融合装置。
In an inertial electrostatic confinement fusion apparatus comprising a vacuum vessel, an anode disposed in the vacuum vessel, and a cathode to which ions generated near the anode are accelerated.
An inertial electrostatic confinement fusion apparatus characterized in that an exhaust port is provided in the anode, and exhaust from the inside of the anode is exhausted to the outside of the vacuum vessel by exhaust means connected to the exhaust port.
前記陽極に設けられた全イオン引出し口の合計断面積よりも大きな断面積を前記排気口が有している請求項2の慣性静電閉じ込め核融合装置。The inertial electrostatic confinement fusion apparatus according to claim 2, wherein the exhaust port has a cross-sectional area larger than a total cross-sectional area of all ion extraction ports provided in the anode. 前記排気口に導電性格子を設けた請求項2または請求項3の慣性静電閉じ込め核融合装置。The inertial electrostatic confinement fusion apparatus according to claim 2 or 3, wherein a conductive lattice is provided at the exhaust port. 前記陽極の内側に他の導電体格子を設けた請求項2乃至請求項4のいずれかの慣性静電閉じ込め核融合装置。The inertial electrostatic confinement fusion apparatus according to claim 2, wherein another conductor grid is provided inside the anode. 前記陽極と前記第2導電体格子との間に、誘電体を配置した請求項5の慣性静電閉じ込め核融合装置。6. The inertial electrostatic confinement fusion device according to claim 5, wherein a dielectric is disposed between the anode and the second conductor lattice. 陽極外側で極性を周期的に反転させた磁場構造を設けた請求項1乃至請求項6のいずれかの慣性静電閉じ込め核融合装置。The inertial electrostatic confinement fusion apparatus according to any one of claims 1 to 6, further comprising a magnetic field structure in which polarity is periodically reversed outside the anode. 前記陽極に冷却配管を設けた請求項1乃至請求項7の慣性静電閉じ込め核融合装置。The inertial electrostatic confinement fusion apparatus according to claim 1, wherein a cooling pipe is provided on the anode.
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