JP7516647B1 - Plasma generating device and plasma generating method - Google Patents
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Abstract
【課題】108K程度の高温を実現することができる核融合反応発生装置を提供する。【解決手段】 核融合反応発生装置1は、重水を含む絶縁性を有する液体に電位差を与える少なくとも一対の電極3,3と、一対の電極3,3に接続された直流電源5と、液体に分散された導電性を有する複数のカーボンナノチューブ4と、を備えている。各カーボンナノチューブ4は、直径が10nm程度、長さが3mm程度とされている。電極3,3間の距離が1cmとされている。電極3,3の電位差が100kVとされている。【選択図】図1[Problem] To provide a nuclear fusion reaction generator capable of realizing a high temperature of about 108K. [Solution] The nuclear fusion reaction generator 1 comprises at least a pair of electrodes 3, 3 that apply a potential difference to an insulating liquid containing heavy water, a DC power source 5 connected to the pair of electrodes 3, 3, and a plurality of conductive carbon nanotubes 4 dispersed in the liquid. Each carbon nanotube 4 has a diameter of about 10 nm and a length of about 3 mm. The distance between the electrodes 3, 3 is 1 cm. The potential difference between the electrodes 3, 3 is 100 kV. [Selected Figure] Figure 1
Description
本開示は、プラズマ発生装置およびプラズマ発生方法に関するものである。 The present disclosure relates to a plasma generating device and a plasma generating method.
核融合反応の必要条件は、108K程度の高温、十分な密度、十分な閉じ込め時間である。一般的に問題となるのは、高温発生に必要となる大きなエネルギー・仕事率と、発生する超高圧の閉じ込めである。 The necessary conditions for a nuclear fusion reaction are a high temperature of about 10 8 K, sufficient density, and sufficient confinement time. The problems generally arise are the large energy and power required to generate high temperatures, and the confinement of the ultra-high pressures that are generated.
燃料プラズマを108Kまで加熱すると、温度に比例した圧力が増大し、これを閉じ込めなければ膨張して反応率が低下する(例えば、爆薬ですら103Kの温度(せいぜい5000K程度)に留まるのに、108Kにもなる核融合プラズマはその105倍となる)。高温においては、高エネルギーの熱放射を発して急速に冷える。これは、Stefan-Boltzmannの法則により、黒体ならばT4に比例するエネルギーの熱放射をするため。高温では特に強力な放射となり、そのために中心温度が1600万Kの太陽ですら、黒体と見なせる表面付近の温度は6000K程度にまで下がる。108Kなら単位面積当たり太陽表面の1016倍以上のエネルギーを発することとなり非現実的である。ただし、一般に地上のプラズマの光学的深さは小さいためそこまでの強度にはならないものの、温度に見合った熱放射(高温においてはX線)を発して急速に冷える。このため、あまり時間を掛けて加熱することはできないし、できるだけプラズマの光学的深さを小さくする必要がある。 When fuel plasma is heated to 10 8 K, the pressure increases in proportion to the temperature, and if it is not contained, it will expand and the reaction rate will decrease (for example, even explosives only have a temperature of 10 3 K (at most about 5000 K), but nuclear fusion plasma, which reaches 10 8 K, is 10 5 times higher). At high temperatures, it emits high-energy thermal radiation and cools rapidly. This is because, according to the Stefan-Boltzmann law, a black body will emit thermal radiation with energy proportional to T 4. At high temperatures, the radiation is particularly strong, and even the sun, which has a central temperature of 16 million K, will have a temperature near the surface that can be considered a black body drop to about 6000 K. At 10 8 K, it would emit more than 10 16 times the energy of the solar surface per unit area, which is unrealistic. However, since the optical depth of plasma on Earth is generally small, it will not be as strong, but it will emit thermal radiation (X-rays at high temperatures) commensurate with its temperature and cool rapidly. For this reason, it is not possible to heat the plasma for a long period of time, and it is necessary to make the optical depth of the plasma as small as possible.
1gの重水燃料を108Kまで1秒で加熱するには、~109J程度、~109W程度のエネルギー・仕事率が必要となるが、現実的ではない。直流電力を用いるなら、日本最強レベルの直流電源である佐久間周波数変換所レベルでも仕事率が足りない。パルス電源ならば仕事率は達成可能だが、上記のエネルギー量は到達困難である。そのうえ実用的なエネルギー増倍率では、出力が最大の通常爆弾並みとなってしまう。そのため、核融合点火には少量の燃料を集中的に加熱する方法が必要不可欠となる。 To heat 1g of heavy water fuel to 108K in 1 second, an energy and power of about 109J and 109W would be required, which is not realistic. If DC power were used, even the power of the Sakuma Frequency Converter Station, Japan's most powerful DC power source, would be insufficient. Although the power could be achieved with a pulsed power source, the above amount of energy would be difficult to reach. Furthermore, with a practical energy multiplication factor, the output would be on par with that of a conventional bomb with maximum power output. Therefore, a method of concentrating heating of a small amount of fuel is essential for nuclear fusion ignition.
密度を保ち、核融合反応を進めるには、何らかの閉じ込め方式が必要となる。方式によっては、液体も固体も簡単に圧縮し、セラミックですら液体のように振る舞うほどの圧力を閉じ込める必要がある。閉じ込め方式としては、磁場閉じ込めと慣性閉じ込めが種々検討されている。 Some kind of confinement method is needed to maintain density and promote the fusion reaction. Some method requires pressure that can easily compress both liquids and solids, and even ceramics must be confined to behave like a liquid. Various confinement methods, including magnetic confinement and inertial confinement, are being considered.
磁場閉じ込めでは、真空中の希薄な(磁場で閉じ込められる程度の密度の)プラズマを加熱することにより、少量の燃料を集中加熱する。 In magnetic confinement, a small amount of fuel is heated in a concentrated manner by heating a dilute plasma (dense enough to be confined by a magnetic field) in a vacuum.
108Kまでプラズマを加熱するには、10kV程度の電位差を下らせれば十分である。ただし、プラズマが希薄なため、比較的長時間閉じ込める必要がある。 A potential difference of about 10 kV is sufficient to heat the plasma to 10 8 K. However, because the plasma is thin, it needs to be confined for a relatively long period of time.
基本的にプラズマを粒子束として扱うが、実際のプラズマは多体系であり流体である(振る舞いがChaoticである)ため、現状、プラズマを思うように閉じ込めておくことができない。 Plasma is basically treated as a flux of particles, but in reality plasma is a many-body system and a fluid (its behavior is chaotic), so at present it is not possible to confine plasma as desired.
また、空間に閉じ込めたプラズマを再加熱するのが困難である。よく用いられる大出力の中性粒子ビームや共鳴マイクロ波は、効率的・安定的に発生させることが難しい。 It is also difficult to reheat plasma that is confined in space. The commonly used high-power neutral particle beams and resonant microwaves are difficult to generate efficiently and stably.
慣性閉じ込め方式では、小さな燃料球に全方向から高エネルギーのレーザーを照射することにより、少量の燃料を集中加熱する。 Inertial confinement involves shining a high-energy laser at a small ball of fuel from all directions, resulting in concentrated heating of a small amount of fuel.
高温に加熱された外殻が急膨張することにより、燃料中心部が10TPaもの高圧に圧縮され(爆縮)、断熱圧縮によって108Kまで加熱されて核融合反応に至る。閉じ込めは小質量な燃料自身の慣性によるため、全てが極めて短時間で終わらねばならない。 The high-temperature heated outer shell expands rapidly, compressing the core of the fuel to a pressure of 10 TPa (implosion), and the fuel is heated to 10 8 K by adiabatic compression, resulting in a nuclear fusion reaction. Confinement is achieved by the inertia of the small mass of the fuel itself, so the entire process must be completed in an extremely short time.
しかし、均一に燃料球を加熱・圧縮するのが困難である。流体力学的な不安定性により、均一性は本質的に確保しづらいからである。この方式では、燃料を閉じ込めるのみならず積極的に圧縮しなければならないため、不安定性の成長が速く燃料球殻が破けてしまいがちという問題もある。 However, it is difficult to heat and compress the fuel sphere uniformly, as uniformity is inherently difficult to achieve due to fluid dynamic instabilities. With this method, the fuel must not only be contained but also actively compressed, which can lead to rapid growth of instabilities and the tendency for the fuel shell to break.
そして、レーザーで点火する場合、電力からレーザーへの変換効率の低さが問題となる。単にレーザーを発生すればよいわけではなく、チャープパルス圧縮などを使ってごく短時間に高エネルギーを詰め込まねばならないため、どうしてもエネルギー効率は低くなる。 And when using a laser for ignition, the low efficiency of conversion from electricity to laser becomes an issue. It is not enough to simply generate a laser; high energy must be packed into a very short period of time using techniques such as chirp pulse compression, which inevitably results in low energy efficiency.
ワンショットのレーザーであればともかく、連続的に反応を継続するためには各種の問題をクリアする必要がある(レーザー発振器の寿命、炉内に蓄積してくる物質の影響など)。 Unlike a one-shot laser, various issues must be overcome to maintain a continuous reaction (such as the lifespan of the laser oscillator and the effects of materials accumulating in the furnace).
また、従来の閉じ込め方式に共通の問題としては、中性子線やX線が炉壁に直接照射されてダメージを与えることである。このため、適切な除熱や脆化・放射化への対策を行う必要がある。超電導マグネットを用いる方式などは特にデリケートな問題となり得るし(例えば中性子線による冷媒の加熱が問題である)、ブランケットを用いると交換によるメンテナンスコストや低レベル放射性廃棄物の増加・リチウムなど比較的希少な資源の核改変による不可逆的消費をもたらす。 A common problem with conventional containment methods is that neutrons and X-rays directly irradiate the reactor walls, causing damage. For this reason, appropriate measures must be taken to remove heat and prevent embrittlement and radioactivity. Methods that use superconducting magnets can be particularly sensitive (for example, the heating of the coolant by neutrons is an issue), and the use of blankets results in increased maintenance costs due to replacement, an increase in low-level radioactive waste, and the irreversible consumption of relatively scarce resources such as lithium through nuclear modification.
トリチウムの調達・取り扱いが困難となるという問題もある。核融合の反応条件が最も緩いのがD-T反応であるため、希少であり放射性物質であるトリチウムを比較的多量に扱う必要がある。 There is also the issue of the difficulties in procuring and handling tritium. Because the D-T reaction has the mildest reaction conditions for nuclear fusion, it is necessary to handle relatively large amounts of tritium, which is a rare and radioactive substance.
特許文献1には、長さが約3mmの1000個のカーボンナノチューブを並列に電極間に接続し、パルス的に電圧を与えて、カーボンナノチューブの閉じ込められた系の内部で核変換を行うことが開示されている。 Patent document 1 discloses that 1,000 carbon nanotubes, each about 3 mm long, are connected in parallel between electrodes, and a pulsed voltage is applied to them to perform nuclear transmutation inside the system containing the carbon nanotubes.
しかし、特許文献1では、全体で200Ωの1000個のカーボンナノチューブに200ナノ秒、200Vのパルス電圧を10kHzの頻度で印加しており([0070])、200Wを200ナノ秒つまり40000ナノジュールを1000本で分け合うことで、1パルス1本当たり40ナノジュールを印加している。ナノチューブ1本の重さは10-12gのオーダーなので1g当たりでは40000J、グラファイトの比熱は2J/g・K程度なので、結果として計算上の昇温幅は10000Kのオーダーとなる。これに加熱中の周囲への熱散逸やパルス形状の影響等を考えれば、4000Kを超えない温度に留まると予想される。パルス電圧が10kHzなので約100マイクロ秒の非印加期間があるため、その間に冷えて遮熱層が潰れるなどして、全体としてカーボンナノチューブを破壊するには至らない設計とされていると考えられる。 However, in Patent Document 1, a pulse voltage of 200 V for 200 nanoseconds is applied to 1000 carbon nanotubes with a total resistance of 200 Ω at a frequency of 10 kHz ([0070]), and 200 W for 200 nanoseconds, i.e., 40,000 nanojoules, is shared among 1000 nanotubes, so that 40 nanojoules are applied per pulse. Since the weight of one nanotube is on the order of 10 -12 g, the weight is 40,000 J per gram, and the specific heat of graphite is about 2 J/g·K, so the calculated temperature rise is on the order of 10,000 K. Considering the heat dissipation to the surroundings during heating and the influence of the pulse shape, it is expected that the temperature will not exceed 4000 K. Since the pulse voltage is 10 kHz, there is a non-applied period of about 100 microseconds, and it is considered that the design is such that the carbon nanotubes as a whole will not be destroyed because the heat shield layer will be crushed due to cooling during that time.
このように、特許文献1では、4000Kを超えない到達温度に留まると考えられ、核融合反応に必要な108K程度の高温を実現することができない。 Thus, in Patent Document 1, it is thought that the temperature that will be reached will not exceed 4000K, and it is not possible to realize a high temperature of about 10 8 K required for a nuclear fusion reaction.
本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、核融合反応発生装置に使用することができるプラズマ発生装置およびプラズマ発生方法を提供することを目的とする。 The present disclosure has been made in consideration of the above circumstances, and has an object to provide a plasma generating device and a plasma generating method that can be used in a nuclear fusion reaction generating device.
本開示の参考例に係る核融合反応発生装置は、核融合燃料を含む絶縁性を有する媒体に電位差を与える少なくとも一対の電極と、前記一対の電極に接続された電源と、前記媒体に分散された導電性を有する複数のナノ構造材料と、を備え、各前記ナノ構造材料は、直径が1nm以上100nm以下、長さが0.5mm以上100mm以下とされた端部を有する長尺とされ、前記電極間の距離が1mm以上100mm以下とされ、前記電位差が10kV以上1000kV以下とされている。 A nuclear fusion reaction generating device according to a reference example of the present disclosure comprises at least a pair of electrodes that apply a potential difference to an insulating medium containing a nuclear fusion fuel, a power source connected to the pair of electrodes, and a plurality of conductive nanostructured materials dispersed in the medium, each of the nanostructured materials being long and having an end with a diameter of 1 nm or more and 100 nm or less and a length of 0.5 mm or more and 100 mm or less , the distance between the electrodes being 1 mm or more and 100 mm or less, and the potential difference being 10 kV or more and 1000 kV or less.
電源から給電して一対の電極間に電位差を与えると、媒体に分散された複数のナノ構造材料のうち、一方の電極から他方の電極にわたって少なくとも一本の導電パスが形成される。電極間の距離が1mm以上100mm以下で電位差が10kV以上1000kV以下とされているので、形成された導電パスにはプラズマを生成するのに十分なエネルギーが与えられる。これにより、ナノ構造材料によって形成された導電パスはプラズマフィラメントを形成し、プラズマを発生することができる。これにより、108K程度の高温を実現することができる。そして、媒体に核融合燃料(例えば重水やトリチウム、炭化重水素など)を含むので核融合反応の燃料として用いられ、核融合反応を発生させることができる。
ナノ構造材料としては、例えば、カーボンナノチューブなどのナノチューブ、銅ナノワイヤなどのナノワイヤ、ナノコイル、グラフェンナノリボン、導電性ポリマーなどを用いることができる。
When a potential difference is applied between a pair of electrodes by supplying power from a power source, at least one conductive path is formed from one electrode to the other electrode among the multiple nanostructured materials dispersed in the medium. Since the distance between the electrodes is 1 mm to 100 mm and the potential difference is 10 kV to 1000 kV, the conductive path formed is given sufficient energy to generate plasma. As a result, the conductive path formed by the nanostructured materials forms plasma filaments, and plasma can be generated. This makes it possible to achieve a high temperature of about 10 8 K. Since the medium contains fusion fuel (e.g., heavy water, tritium, deuterium carbide, etc.), it can be used as fuel for fusion reactions and generate fusion reactions.
Examples of nanostructured materials that can be used include nanotubes such as carbon nanotubes, nanowires such as copper nanowires, nanocoils, graphene nanoribbons, conductive polymers, and the like.
本開示の一態様に係るプラズマ発生装置は、絶縁性を有する媒体に電位差を与える少なくとも一対の電極と、前記一対の電極に接続された電源と、前記媒体に分散された導電性を有する複数のナノ構造材料と、を備え、各前記ナノ構造材料は、直径が1nm以上100nm以下、長さが0.5mm以上100mm以下とされた端部を有する長尺とされ、前記電極間の距離が1mm以上100mm以下とされ、前記電位差が10kV以上1000kV以下とされている。 A plasma generating device according to one embodiment of the present disclosure comprises at least a pair of electrodes for applying a potential difference to an insulating medium, a power source connected to the pair of electrodes, and a plurality of conductive nanostructured materials dispersed in the medium, each of the nanostructured materials being long and having an end with a diameter of 1 nm or more and 100 nm or less and a length of 0.5 mm or more and 100 mm or less , the distance between the electrodes being 1 mm or more and 100 mm or less, and the potential difference being 10 kV or more and 1000 kV or less.
電源から給電して一対の電極間に電位差を与えると、媒体に分散された複数のナノ構造材料のうち、一方の電極から他方の電極にわたって少なくとも一本の導電パスが形成される。電極間の距離が1mm以上100mm以下で電位差が10kV以上1000kV以下とされているので、形成された導電パスにはプラズマを生成するのに十分なエネルギーが与えられる。これにより、ナノ構造材料によって形成された導電パスはプラズマフィラメントを形成し、プラズマを発生することができる。これにより、108K程度の高温を実現することができる。
ナノ構造材料としては、例えば、カーボンナノチューブなどのナノチューブ、銅ナノワイヤなどのナノワイヤ、ナノコイル、グラフェンナノリボン、導電性ポリマーなどを用いることができる。
When a potential difference is applied between a pair of electrodes by supplying power from a power source, at least one conductive path is formed from one electrode to the other electrode among the multiple nanostructured materials dispersed in the medium. Since the distance between the electrodes is 1 mm to 100 mm and the potential difference is 10 kV to 1000 kV, the conductive path formed is given sufficient energy to generate plasma. As a result, the conductive path formed by the nanostructured materials forms plasma filaments, and plasma can be generated. This makes it possible to achieve high temperatures of about 10 8 K.
Examples of nanostructured materials that can be used include nanotubes such as carbon nanotubes, nanowires such as copper nanowires, nanocoils, graphene nanoribbons, conductive polymers, and the like.
本開示の参考例に係る核融合反応発生方法は、核融合燃料を含む絶縁性を有する媒体に電位差を与える少なくとも一対の電極と、前記一対の電極に接続された電源と、前記媒体に分散された導電性を有する複数のナノ構造材料と、を用いて行う核融合反応発生方法であって、各前記ナノ構造材料は、直径が1nm以上100nm以下、長さが0.5mm以上100mm以下とされた端部を有する長尺とされ、前記電極間の距離が1mm以上100mm以下とされ、前記電位差が10kV以上1000kV以下とされている。 A method for generating a nuclear fusion reaction according to a reference example of the present disclosure is a method for generating a nuclear fusion reaction using at least a pair of electrodes that apply a potential difference to an insulating medium containing a nuclear fusion fuel, a power source connected to the pair of electrodes, and a plurality of conductive nanostructured materials dispersed in the medium, wherein each of the nanostructured materials is long and has an end portion with a diameter of 1 nm or more and 100 nm or less and a length of 0.5 mm or more and 100 mm or less , the distance between the electrodes is 1 mm or more and 100 mm or less, and the potential difference is 10 kV or more and 1000 kV or less.
本開示の一態様に係るプラズマ発生方法は、絶縁性を有する媒体に電位差を与える少なくとも一対の電極と、前記一対の電極に接続された電源と、前記媒体に分散された導電性を有する複数のナノ構造材料と、を用いて行うプラズマ発生方法、各前記ナノ構造材料は、直径が1nm以上100nm以下、長さが0.5mm以上100mm以下とされた端部を有する長尺とされ、前記電極間の距離が1mm以上100mm以下とされ、前記電位差が10kV以上1000kV以下とされている。 A plasma generation method according to one embodiment of the present disclosure is a plasma generation method using at least a pair of electrodes that apply a potential difference to an insulating medium, a power source connected to the pair of electrodes, and a plurality of conductive nanostructured materials dispersed in the medium, each of the nanostructured materials being long and having ends with a diameter of 1 nm or more and 100 nm or less and a length of 0.5 mm or more and 100 mm or less, the distance between the electrodes being 1 mm or more and 100 mm or less, and the potential difference being 10 kV or more and 1000 kV or less.
108K程度の高温を実現することができる。 A high temperature of about 10 8 K can be achieved.
以下に、本開示に係る一実施形態について説明する。
本実施形態に係る核融合反応発生装置は、点火時に、加熱する燃料の量と空間的な大きさを極限まで小さくする。これにより、慣性核融合の10-6程度の量的・空間的な燃料しか加熱しないことにより、現実的な仕事率で急速な加熱を実現することができる。
An embodiment of the present disclosure will be described below.
In the nuclear fusion reaction generating device according to this embodiment, the amount and spatial size of the fuel to be heated at the time of ignition is minimized. As a result, the fuel is heated only in an amount and spatial amount of about 10-6 of inertial confinement fusion, making it possible to realize rapid heating with a realistic power rate.
核融合燃料(例えば重水やトリチウム、炭化重水素など:以下、単に「燃料」という。)としての絶縁性を有する液体(媒体)に、導電性の微小長尺のナノ構造材料(典型的には直径が数10nm程度)を分散したものに、全体の絶縁破壊を起こさない程度の高電圧を印加する。ナノ構造材料としては、例えば、カーボンナノチューブなどのナノチューブ、銅ナノワイヤなどのナノワイヤ、ナノコイル、グラフェンナノリボン、導電性ポリマーなどを用いることができる。 A high voltage that does not cause total insulation breakdown is applied to a liquid (medium) that has insulating properties and serves as a nuclear fusion fuel (such as heavy water, tritium, deuterium carbonate, etc.; hereafter simply referred to as "fuel"), in which tiny, long, conductive nanostructured materials (typically with a diameter of about 10 nm) are dispersed. Examples of nanostructured materials that can be used include nanotubes such as carbon nanotubes, nanowires such as copper nanowires, nanocoils, graphene nanoribbons, and conductive polymers.
部分的な絶縁破壊によりナノ構造材料に電流が流れ、十分に高い電位勾配が印加されていれば、通常ならばナノ構造材料が破断するような温度になっても、自己インダクタンスによって電流は流れ続け、相転移により燃料中に微細なプラズマフィラメントが発生する。プラズマは良導体であるため、これに電流を流して加熱する(ジュール加熱、電球のフィラメントや電熱線と同様のエネルギー集中法)とともに、陽イオンをマイナス極側に電磁ポテンシャルを下らせて加熱する。 Partial insulation breakdown causes current to flow through the nanostructured material, and if a sufficiently high potential gradient is applied, the self-inductance allows the current to continue to flow even at temperatures that would normally cause the nanostructured material to break, and a phase transition generates tiny plasma filaments in the fuel. Because plasma is a good conductor, it can be heated by passing an electric current through it (Joule heating, an energy concentration method similar to that of a light bulb filament or heating wire), and positive ions can be heated by lowering the electromagnetic potential toward the negative pole.
なお、核融合においては、アメリカ、サンディア国立研究所がZマシンにて金属ワイヤー(直径0.1mm程度)に高電圧を印加しプラズマ化する実験を行っている。これに対して、本実施形態においてはその10-3ほどの直径、10-6ほどの断面積の非常に細いプラズマフィラメントを生成することとなる。プラズマは昇温により高圧になるため速やかに拡散してしまい、また液体に接しているため熱が速やかに拡散してしまうとも考えられるが、液中プラズマのように存在し続けることができる。 In nuclear fusion, Sandia National Laboratories in the United States is conducting experiments in which a high voltage is applied to a metal wire (diameter about 0.1 mm) using a Z machine to generate plasma. In contrast, in this embodiment, a very thin plasma filament is generated with a diameter of about 10-3 and a cross-sectional area of about 10-6 . Plasma diffuses quickly because of the high pressure caused by the temperature rise, and it is also thought that heat diffuses quickly because it is in contact with liquid, but it can continue to exist like a plasma in liquid.
プラズマフィラメントには、以下の選択性が生ずる。
(1)導電の選択性
プラズマは良導体であるのに対し、周囲の電離していない燃料は絶縁体であるため、プラズマ部分だけが選択的にジュール加熱される。
The following selectivity occurs in the plasma filament:
(1) Selectivity of electrical conductivity: Plasma is a good conductor, whereas the surrounding non-ionized fuel is an insulator. Therefore, only the plasma portion is selectively heated by Joule heating.
(2)閉じ込めの選択性
プラズマ部分は、電流が流れることでアンペールの法則によって発生した磁場で閉じ込められる(磁場閉じ込め、Zピンチ)。一方、電離していない燃料には閉じ込め力は働かないため、加熱され高圧となったが電離していない燃料がプラズマと周囲の燃料を引き離し、プラズマの熱が周囲に拡散しにくくなる(例えば膜沸騰やバーンアウト)。また、プラズマの表面積が小さいことも熱拡散を遅らせる要素となる。
(2) Confinement selectivity The plasma portion is confined by a magnetic field generated by the flow of electric current according to Ampere's law (magnetic confinement, Z-pinch). On the other hand, no confinement force acts on unionized fuel, so the unionized fuel that is heated and pressurized separates the plasma from the surrounding fuel, making it difficult for the heat of the plasma to diffuse to the surroundings (for example, film boiling and burnout). In addition, the small surface area of the plasma is also a factor that slows down thermal diffusion.
上記のような核融合プラズマが発生するところまでプラズマフィラメントを加熱するのに必要なエネルギーは小さい。プラズマフィラメントに含まれる物質量が少ないからである。仮に加熱中に周囲の燃料を取り込み、太さ100nm(=10-5cm)、長さ1cmのプラズマフィラメントになったとして、その物質量は10-10g程度に過ぎない。 The energy required to heat a plasma filament to the point where fusion plasma as described above is generated is small because the amount of material contained in the plasma filament is small. If the plasma filament absorbs surrounding fuel while heating and becomes a plasma filament with a thickness of 100 nm (= 10 -5 cm) and a length of 1 cm, the amount of material would be only about 10 -10 g.
プラズマに対する閉じ込め力としては、特に高温においては熱放射による放射圧も重要となる。プラズマの表面積が小さいため、放射のエネルギー密度に比例する放射圧は従来法よりも大きくなるためである。 The radiation pressure caused by thermal radiation is also an important confinement force for plasma, especially at high temperatures. This is because the surface area of the plasma is small, so the radiation pressure, which is proportional to the energy density of the radiation, is greater than in conventional methods.
ただし、電離している領域と電離していない領域が明確に分かれるわけではない。ある温度では個々の粒子はMaxwell分布に従った様々な速度を持つため、おおむね5000K~20000K程度では、電離している粒子と電離していない粒子が混在している(サハの電離公式)。電離度は電気抵抗を決めるため、周辺部になるに連れて電流が流れにくくなってゆく領域が発生する。この領域でもジュール加熱がされるが、電離した粒子にはローレンツ力によりプラズマフィラメントへと引き込まれる力が働くため、周辺領域では高エネルギーの粒子だけが引き抜かれることで冷却がされることとなり、熱の散逸は妨げられる。炭素・酸素などの部分電離する原子には、結果的に温度が高く電離度が高いほど強い閉じ込め力が働く(完全に電離すれば重水素とほぼ同じ閉じ込め力が働く)。 However, there is no clear separation between ionized and non-ionized regions. At a certain temperature, individual particles have various velocities according to the Maxwell distribution, so at approximately 5000K to 20000K, ionized and non-ionized particles coexist (Saha's ionization formula). The degree of ionization determines the electrical resistance, so there are regions where it becomes more difficult for current to flow toward the periphery. Joule heating also occurs in this region, but since the ionized particles are drawn into the plasma filament by the Lorentz force, only high-energy particles are drawn out in the peripheral region, resulting in cooling and preventing heat dissipation. As a result, the higher the temperature and the higher the degree of ionization, the stronger the confinement force that acts on partially ionized atoms such as carbon and oxygen (if completely ionized, the confinement force is almost the same as that of deuterium).
周囲の燃料はプラズマフィラメントに加熱されて温度勾配ができる。密度が一定の状態で温度勾配ができると圧力勾配が生じるため、プラズマフィラメントから離れる方向に粒子の流れが生じる。そのため、この流れに逆らって周囲の冷たい燃料がプラズマフィラメントに影響を与える可能性は低くなる。流れの結果圧力平衡が成立した場合、粒子密度は温度に反比例することとなる。 The surrounding fuel is heated by the plasma filament, creating a temperature gradient. When a temperature gradient occurs while the density remains constant, a pressure gradient is created, causing a flow of particles away from the plasma filament. This makes it less likely that the surrounding cooler fuel will act against this flow and affect the plasma filament. If the flow results in pressure equilibrium, then particle density will be inversely proportional to temperature.
プラズマフィラメントには閉じ込め力が働くものの、これを長時間、安定して閉じ込めておくことは、一般には困難である。キンク不安定性などの流体力学的な不安定性、メゾスコピック領域であるがゆえのゆらぎの大きさなどから、プラズマフィラメントは複雑な形状となってゆく。また、加熱に時間を掛け過ぎると、プラズマフィラメントが周囲の燃料を取り込んで太くなり、より大きな電流が流れて電源の負荷が大きくなってゆく。ゆえに、放射損失を少なくするためにも、ある程度高速に加熱した方がよい。 Although a confining force acts on plasma filaments, it is generally difficult to confine them stably for long periods of time. Due to hydrodynamic instabilities such as kink instability, and the large fluctuations that occur in the mesoscopic region, plasma filaments take on complex shapes. Furthermore, if heating takes too long, the plasma filaments will absorb the surrounding fuel and become thicker, causing a larger current to flow and increasing the load on the power supply. Therefore, in order to reduce radiation losses, it is better to heat them at a relatively high rate.
プラズマフィラメントの発熱速度は、電位勾配の大きさで決まるため、絶対的な印加電圧が大きくなくとも、電極間の距離が小さければ大きな発熱速度を実現できる(例えばスパークプラグと同様のエネルギー集中法)。本実施形態では、容易に入手可能な直流電源を用いて電圧100kVとし、電極間の距離を1cmとすれば、水の絶縁耐力に近い10MV/mとなる。また、この条件においては、重水素イオンがマイナス極側に数mm動けば、核融合反応を起こすに十分なエネルギーが与えられる。炭素イオンや酸素イオンならば、さらに短い移動距離で十分なエネルギーが与えられる。 The heat generation rate of plasma filaments is determined by the magnitude of the potential gradient, so even if the absolute applied voltage is not large, a high heat generation rate can be achieved if the distance between the electrodes is small (for example, using the same energy concentration method as a spark plug). In this embodiment, if a readily available DC power source is used and the voltage is 100 kV, and the distance between the electrodes is 1 cm, this becomes 10 MV/m, which is close to the dielectric strength of water. Furthermore, under these conditions, if deuterium ions move a few mm toward the negative pole, they will be provided with enough energy to cause a nuclear fusion reaction. Carbon ions and oxygen ions can be provided with sufficient energy with an even shorter movement distance.
プラズマフィラメントに不安定性があることは、核融合点火にとってプラスともなる。ナノチューブやナノワイヤはL/D比(アスペクト比)が大きいため、プラズマフィラメントの全長にわたり、不安定性により多様な形状・状況のプラズマが発生する。そのため、電流が流れなくなった際に自己点火するプラズマが1か所も発生しない確率は低くなり、高い確率での自己点火プラズマの発生が期待できる。 The instability of plasma filaments is also beneficial for nuclear fusion ignition. Nanotubes and nanowires have a large L/D ratio (aspect ratio), so instability generates plasma of various shapes and conditions along the entire length of the plasma filament. This reduces the probability that no self-igniting plasma will be generated in any place when the current stops flowing, and a high probability of self-igniting plasma can be expected.
加熱する物質量が小さいため、加熱した燃料のみしか核融合反応をしないようでは実用にはならない。プラズマフィラメントを十分に加熱すれば、電流を切った後でも自己点火領域(放射等で外に散逸するエネルギーよりも、核融合により内部で発生するエネルギーの方が大きい領域)がある確率で発生する。自己点火領域がいったん発生すれば、周囲は液体密度の燃料で囲まれているため、主に核融合プラズマからのα線により、自己点火領域は拡大を始める。この拡大は、周囲の燃料が吹き飛ばされて十分に減圧するまで継続する(慣性閉じ込め)。加熱により発生したプラズマは、圧力こそ非常に高いものの、質量は周囲の冷たい燃料の方が桁違いに大きいため、簡単に減圧することはできない。この状況は、爆薬の起爆と類似する。 Because the amount of material to be heated is small, it would be practical if only the heated fuel were to undergo a fusion reaction. If the plasma filament is heated sufficiently, there is a certain probability that a self-ignition region (a region where the energy generated internally by fusion is greater than the energy dissipated to the outside by radiation, etc.) will occur even after the current is turned off. Once the self-ignition region occurs, it begins to expand, mainly due to alpha rays from the fusion plasma, because it is surrounded by liquid-density fuel. This expansion continues until the surrounding fuel is blown away and the pressure is sufficiently reduced (inertial confinement). Although the pressure of the plasma generated by heating is very high, the mass of the surrounding cold fuel is orders of magnitude greater, so it cannot be easily reduced. This situation is similar to the detonation of an explosive.
一方、本実施形態においては、(レーザー核融合などとは異なり)燃料の周囲に物体を配置することに強い制限はない。そのため、減圧を遅らせ、核融合反応の持続時間を延長することなどを目的としたタンパー(tamper)を燃料周囲に配置することができる。タンパーが中性子線などによって加熱され、周囲に飛散する反作用でプラズマが圧縮され、減圧するまでの時間を延長できる。 On the other hand, in this embodiment, there are no strict restrictions on placing objects around the fuel (unlike laser fusion, etc.). Therefore, a tamper can be placed around the fuel to delay the decompression and extend the duration of the fusion reaction. The tamper is heated by neutrons, etc., and the reaction to the scattering into the surrounding area compresses the plasma, extending the time until decompression.
タンパーは、慣性により核融合プラズマを閉じ込める、核融合プラズマから放射される中性子線やX線を吸収し炉壁を保護する、核融合プラズマの超高温を、発電を行うのに扱いやすい温度に変換するバッファーとなる、という役割を持つ。そのため、中性子線やX線を吸収する流体であることが望ましい(例えば溶融金属と水の組み合わせ、重金属を分散した水など)。 The tamper serves the following roles: confine the fusion plasma by inertia, protect the reactor walls by absorbing neutrons and X-rays emitted from the fusion plasma, and act as a buffer to convert the extremely high temperatures of the fusion plasma into a manageable temperature for generating electricity. For this reason, it is desirable for the tamper to be a fluid that absorbs neutrons and X-rays (for example, a combination of molten metal and water, or water with heavy metals dispersed in it).
燃料の密度については、燃料の密度が大きければ、加熱中の熱の散逸が大きくなるが、加熱後に働く慣性を大きく取れる。その一方で、燃料の密度が小さければ、加熱中の熱の散逸を小さくできるが、加熱後に働く慣性は小さくなってしまう。燃料を超臨界流体にする等すれば、液体密度以上でナノ構造材料が分散している状態から、大気よりも低密度でナノ構造材料が浮遊している状態まで、燃料の密度は任意に制御できるため、目的に見合った密度に調整して点火ができる。燃料密度は加熱途中で変更してもよい。例えば、最初は水蒸気雰囲気の中で通電加熱を始め、通電途中で冷水を合流させるなどとしても良い。 Regarding fuel density, if the fuel density is high, the heat dissipation during heating will be large, but the inertia acting after heating will be large. On the other hand, if the fuel density is low, the heat dissipation during heating will be small, but the inertia acting after heating will be small. If the fuel is made into a supercritical fluid, the density of the fuel can be controlled arbitrarily, from a state where the nanostructured material is dispersed at or above liquid density, to a state where the nanostructured material is suspended at a density lower than air, so ignition can be performed by adjusting the density to suit the purpose. The fuel density can be changed during heating. For example, electrical heating can be started in a water vapor atmosphere at first, and cold water can be added during electrical current flow.
なお、燃料に印加する電圧の波形は、直流、交流、あるいは直流にバイアスされた交流であってもよく、それ以外の、点火にカスタマイズされた波形であってもよい。この波形は、プラズマフィラメントへの燃料の取り込み特性を決定すると考えられる。 The waveform of the voltage applied to the fuel may be DC, AC, or AC biased to DC, or may be any other waveform customized for ignition. This waveform is believed to determine the characteristics of the fuel being entrapped in the plasma filament.
ナノ構造材料の分散密度、および電極の燃料への接触面積を調整することで、同時に発生する導電路の数を調整できる。導電路が少なければエネルギーの集中によってより高い温度まで加熱できる。導電路が多ければ、ピンチ力により導電路同士が引き合うため、より強く燃料を閉じ込められる。なお、対向する電極間の距離は、1本のカーボンナノチューブよりも大きい寸法としてもよい。 The number of conductive paths that occur simultaneously can be adjusted by adjusting the dispersion density of the nanostructured material and the contact area of the electrodes with the fuel. If there are fewer conductive paths, the fuel can be heated to a higher temperature by concentrating the energy. If there are more conductive paths, the paths attract each other due to the pinch force, so the fuel can be more tightly confined. The distance between the opposing electrodes can be made larger than the dimension of a single carbon nanotube.
カーボンナノチューブを採用する場合、チューブ内に燃料(重水素や重水、炭化重水素など)を入れておいたり、燃料を含む置換基を結合させておいたりしてもよい。これにはトリチウムやリチウムを用いて点火補助材としてもよい。これらは特に燃料密度が小さいときに有効な手段となる。 When using carbon nanotubes, fuel (such as deuterium, heavy water, or deuterium carbonate) can be placed inside the tube, or a substituent containing fuel can be bonded to it. Tritium or lithium can be used as an ignition aid. These are particularly effective when the fuel density is low.
カーボンナノチューブは直径10nm程度の細いものが得やすい。また、材質とサイズからX線の吸収率が極めて低く光学的深さが小さく、キルヒホッフの法則により放射率も低いため放射損失が少ないという利点もある。一方、金属ナノワイヤは電荷密度が高いことによって加熱しやすいという利点がある。 Carbon nanotubes are easy to obtain in thin pieces with a diameter of about 10 nm. In addition, due to their material and size, they have an extremely low X-ray absorption rate and a small optical depth, and due to Kirchhoff's law, they also have a low emissivity, meaning there is little radiation loss. On the other hand, metal nanowires have the advantage that they are easy to heat due to their high charge density.
ナノ構造材料の分散度により、点火状況を制御しても良い。意図的に分散度を下げ、複数のナノ構造材料が絡まった状態で通電することにより、より多様なプラズマ-燃料配置を出現させるという点火戦略をとることができる。 The ignition conditions can be controlled by the degree of dispersion of the nanostructured materials. By intentionally reducing the degree of dispersion and passing electricity through multiple nanostructured materials in an entangled state, an ignition strategy can be adopted that creates a more diverse plasma-fuel configuration.
燃料としては、実効密度を上げ、反応確率を上げるためには液体重水素を用いることが好ましい。一方、重水や炭化重水素を用いることで酸素イオンや炭素イオンを混在させることにはメリットがある。まず密度が大きく、より大きな慣性で閉じ込めができる。またイオンが完全電離している場合、重水素イオン、酸素イオン、炭素イオンは比電荷が近いため、電磁的には同じような振る舞いをし、通電中には同じような軌跡を描いて運動するが、電流が止まって熱的な挙動を始めると、重水素イオンに比べて酸素イオンは8倍、炭素イオンは6倍の温度になっている。温度が高いほど拡散速度は大きいため、ピンチ力による閉じ込めから解放されると、まず酸素イオンや炭素イオンが広がって重水素イオンが保温・加熱され、核融合反応が促進されることとなる(これにはソレー効果も関係する)。 As a fuel, it is preferable to use liquid deuterium in order to increase the effective density and the reaction probability. On the other hand, there are advantages to using heavy water or deuterium carbide to mix oxygen and carbon ions. First, the density is high, and it can be confined with greater inertia. Also, when the ions are fully ionized, the charge ratios of deuterium ions, oxygen ions, and carbon ions are close, so they behave electromagnetically in the same way and move along similar trajectories when electricity is applied, but when the current stops and they start to behave thermally, the oxygen ions are eight times hotter and the carbon ions are six times hotter than the deuterium ions. The higher the temperature, the faster the diffusion speed, so when released from the confinement caused by the pinch force, the oxygen and carbon ions spread out first, warming and heating the deuterium ions, promoting the nuclear fusion reaction (the Soret effect is also involved in this).
[実施例]
以下に上述した実施形態に一実施例について図面を用いて説明する。
図1には、本実施形態の一実施例に係る核融合反応発生装置1の概略が示されている。同図に示すように、核融合反応発生装置1は、絶縁性を有する液体2に電位差を与えるように一対の電極3,3が設けられている。電極3,3は例えば金属製とされており電極3,3間の距離は1cmとされている。電極3,3間の距離は、1本のカーボンナノチューブ4よりも大きい寸法とされている。
[Example]
An example of the above-mentioned embodiment will be described below with reference to the drawings.
1 shows an outline of a nuclear fusion reaction generator 1 according to one embodiment of this invention. As shown in the figure, the nuclear fusion reaction generator 1 is provided with a pair of electrodes 3, 3 so as to apply a potential difference to an insulating liquid 2. The electrodes 3, 3 are made of metal, for example, and the distance between the electrodes 3, 3 is set to 1 cm. The distance between the electrodes 3, 3 is set to a dimension larger than that of one carbon nanotube 4.
各電極3,3には直流電源(電源)5がスイッチ6を介して電気的に接続されている。直流電源5は100kVの電圧を電極3,3に印加できるようになっている。したがって、液体2に印加される電界強度は10MV/mとなる。 A DC power supply (power source) 5 is electrically connected to each electrode 3, 3 via a switch 6. The DC power supply 5 is capable of applying a voltage of 100 kV to the electrodes 3, 3. Therefore, the electric field strength applied to the liquid 2 is 10 MV/m.
液体2は、絶縁性を有し、重水を含む水とされている。液体2中には、多数のカーボンナノチューブ4が分散されている。カーボンナノチューブ4の直径は約10nm、長さは約3mmとされている。 Liquid 2 is insulating and is water containing heavy water. A large number of carbon nanotubes 4 are dispersed in liquid 2. The carbon nanotubes 4 have a diameter of about 10 nm and a length of about 3 mm.
スイッチ6は、制御部によってオンオフ動作が制御される。制御部は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをCPUがRAM等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ROMやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、CD-ROM、DVD-ROM、半導体メモリ等である。 The on/off operation of the switch 6 is controlled by the control unit. The control unit is composed of, for example, a CPU (Central Processing Unit), a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), and a computer-readable storage medium. The series of processes for realizing the various functions are stored in the form of a program in a storage medium, for example, and the CPU reads this program into the RAM and executes information processing and arithmetic processing to realize the various functions. The program may be pre-installed in a ROM or other storage medium, provided in a state stored in a computer-readable storage medium, or distributed via wired or wireless communication means. Computer-readable storage media include magnetic disks, magneto-optical disks, CD-ROMs, DVD-ROMs, and semiconductor memories.
図2に示すように、制御部の指令によってスイッチ6をオンとすると、電極3,3間に直流電圧が印加され、液体2に10MV/mの電界強度が加えられる。図2に示すように、カーボンナノチューブ4が液体2中に分散されているので、一定の確率で各カーボンナノチューブ4の端部が他のナノチューブの端部や電極3に十分近接している。そして、カーボンナノチューブ4の端部間またはカーボンナノチューブ4の端部と電極3,3との間隙に絶縁破壊が起こり、電流Iが流れる。純水の絶縁耐力は60MV/m程度なので、その他の部分では電流は流れない。流れる電流Iは導電路のどこでも一定であり、カーボンナノチューブ4の部分では、直径10nmオーダーの狭い領域を通過するため電流密度が高く、その結果エネルギー密度及び磁場強度が高くなる。 As shown in FIG. 2, when the switch 6 is turned on by a command from the control unit, a DC voltage is applied between the electrodes 3, 3, and an electric field strength of 10 MV/m is applied to the liquid 2. As shown in FIG. 2, the carbon nanotubes 4 are dispersed in the liquid 2, so there is a certain probability that the ends of each carbon nanotube 4 are sufficiently close to the ends of other nanotubes or to the electrode 3. Then, insulation breakdown occurs between the ends of the carbon nanotubes 4 or in the gap between the ends of the carbon nanotubes 4 and the electrodes 3, 3, and a current I flows. Since the dielectric strength of pure water is about 60 MV/m, no current flows in other parts. The flowing current I is constant everywhere in the conductive path, and the current density is high in the carbon nanotube 4 because it passes through a narrow area of the order of 10 nm in diameter, resulting in high energy density and magnetic field strength.
図3には、図1及び図2を単純化した計算モデルが示されている。
計算の単純化のため、複数のカーボンナノチューブ4が電極3,3間で一連に直列結合したモデルを考える。
FIG. 3 shows a calculation model that is a simplification of FIGS.
For the sake of simplicity of calculation, a model is considered in which a plurality of carbon nanotubes 4 are connected in series between the electrodes 3, 3.
一連のカーボンナノチューブの体積は1×10-6×10-6=10-12(cm3)である。参考として、電球のフィラメントは1×10-2×10-2=10-4(cm3)である。カーボンナノチューブと電球フィラメントの粒子密度が同程度なら(固体の粒子密度は大差ない)同じ電力を注入した場合、カーボンナノチューブの粒子ひとつが受け取るエネルギーは、電球フィラメントの108倍となり、高速加熱が可能となる。 The volume of a series of carbon nanotubes is 1 x 10 -6 x 10 -6 = 10 -12 (cm 3 ). For comparison, the volume of a light bulb filament is 1 x 10 -2 x 10 -2 = 10 -4 (cm 3 ). If the particle density of a carbon nanotube and a light bulb filament are similar (the particle density of solids is not significantly different), when the same amount of power is injected, the energy received by each carbon nanotube particle will be 10 8 times that of a light bulb filament, making it possible to heat up rapidly.
カーボンナノチューブがグラファイトと同程度の密度であれば、10-12 cm3のカーボンナノチューブの質量は2.2×10-12gとなる。プラズマの定圧比熱は、20000Kにおいて100J/g・K程度(文献値:https://www.jstage.jst.go.jp/article/jjtp1987/4/1/4_1_3/_pdf/-char/jaのFig.6より)なので、このカーボンナノチューブを108Kまで加熱するのに必要なエネルギーは10-2Jのオーダーとなる。したがって、100kVの電圧であればこのエネルギーを十分に注入できる。 If carbon nanotubes have the same density as graphite, the mass of a 10 -12 cm 3 carbon nanotube would be 2.2 x 10 -12 g. The specific heat at constant pressure of plasma is about 100 J/g·K at 20,000 K (reference value: from Fig. 6 in https://www.jstage.jst.go.jp/article/jjtp1987/4/1/4_1_3/_pdf/-char/ja), so the energy required to heat this carbon nanotube to 10 8 K is on the order of 10 -2 J. Therefore, a voltage of 100 kV is sufficient to inject this energy.
次に、本実施形態に係る核融合反応発生装置によって108Kまで加熱できないとすればどういう要因があるかについて検討する。
加熱の途中で特にナノチューブが蒸発した段階で電流が途切れることが考えられる。しかし、自己インダクタンスによって電流が途切れることはないといえる。また、炭素蒸気が導電を妨げない実例として、カーボンアークランプがある。
発生したプラズマの太さが急激に増大し、十分なエネルギーを注入する前に電源容量をオーバーしてしまうことが考えられる。しかし、プラズマの表面積が小さく熱が流れにくいこと、非電離ガスによる遮熱層ができることから、プラズマが太くなり電源容量オーバーとなることはない。実際の液中プラズマでも、プラズマの太さが急激に増大するような現象は確認されていない。
Next, a consideration will be given to what factors may be causing the inability to heat up to 10 8 K using the nuclear fusion reaction generating device according to this embodiment.
It is conceivable that the current may be interrupted during heating, especially when the nanotubes evaporate. However, it is believed that the current will not be interrupted due to self-inductance. Also, a carbon arc lamp is an example in which carbon vapor does not impede conduction.
It is conceivable that the thickness of the generated plasma will increase rapidly, exceeding the power supply capacity before sufficient energy is injected. However, because the surface area of the plasma is small and heat does not flow easily, and because a heat shielding layer is formed by the non-ionized gas, the plasma will not become too thick and exceed the power supply capacity. Even with actual in-liquid plasma, the phenomenon of the plasma thickness increasing rapidly has not been confirmed.
以上説明した本実施形態の作用効果は以下の通りである。
電源から給電して一対の電極間に電位差を与えると、液体に分散された複数のナノ構造材料のうち、一方の電極から他方の電極にわたって少なくとも一本の導電パスが形成される。電極間の距離が1cm程度で電位差が100kV程度とされているので、形成された導電パスにはプラズマを生成するのに十分なエネルギーが与えられる。これにより、ナノ構造材料によって形成された導電パスはプラズマフィラメントを形成し、プラズマを発生することができる。これにより、108K程度の高温を実現することができる。そして、媒体に重水素を含むので核融合反応の燃料として用いられ、核融合反応を発生させることができる。
The effects of the present embodiment described above are as follows.
When a potential difference is applied between a pair of electrodes by supplying electricity from a power source, at least one conductive path is formed from one electrode to the other electrode among the multiple nanostructured materials dispersed in the liquid. Since the distance between the electrodes is about 1 cm and the potential difference is about 100 kV, the conductive path formed is given enough energy to generate plasma. As a result, the conductive path formed by the nanostructured materials forms plasma filaments, which can generate plasma. This makes it possible to achieve high temperatures of about 10 8 K. And since the medium contains deuterium, it can be used as fuel for nuclear fusion reactions and generate nuclear fusion reactions.
なお、上述した実施形態及び実施例では核融合反応発生装置ないし核融合反応発生方法として説明したが、プラズマ発生装置ないしプラズマ発生方法として用いることもできる。
また、カーボンナノチューブ4として、直径が10nmとして説明したが、直径が1nm以上100nm以下、長さが0.5mm以上100mm以下の範囲であれば良い。
電極3,3間の距離を1cmとして説明したが、1mm以上100mm以下の範囲であれば良い。
電極3,3の電位差を100kVとして説明したが、10kV以上1000kV以下の範囲であり、電極間距離と共に全体の絶縁破壊を起こさない程度の電界強度となれば良い。
Although the above-mentioned embodiment and examples have been described as a nuclear fusion reaction generating device and a nuclear fusion reaction generating method, they can also be used as a plasma generating device and a plasma generating method.
Although the carbon nanotube 4 has been described as having a diameter of 10 nm, the diameter may be in the range of 1 nm to 100 nm and the length may be in the range of 0.5 mm to 100 mm.
Although the distance between the electrodes 3, 3 has been described as 1 cm, it may be within the range of 1 mm to 100 mm.
Although the potential difference between the electrodes 3, 3 has been described as 100 kV, it is sufficient that the potential difference is in the range of 10 kV to 1000 kV, and that the electric field strength is such that, together with the distance between the electrodes, total dielectric breakdown does not occur.
1 核融合反応発生装置
2 液体(媒体)
3 電極
4 カーボンナノチューブ
5 電源
6 スイッチ
1 Nuclear fusion reaction generator 2 Liquid (medium)
3 Electrode 4 Carbon nanotube 5 Power supply 6 Switch
Claims (2)
前記一対の電極に接続された電源と、
前記媒体に分散された導電性を有する複数のナノ構造材料と、
を備え、
各前記ナノ構造材料は、直径が1nm以上100nm以下、長さが0.5mm以上100mm以下とされた端部を有する長尺とされ、
前記電極間の距離が1mm以上100mm以下とされ、
前記電位差が10kV以上1000kV以下とされているプラズマ発生装置。 At least one pair of electrodes for applying a potential difference to an insulating medium;
A power source connected to the pair of electrodes;
a plurality of electrically conductive nanostructured materials dispersed in the medium;
Equipped with
Each of the nanostructured materials is elongated with an end having a diameter of 1 nm to 100 nm and a length of 0.5 mm to 100 mm;
The distance between the electrodes is 1 mm or more and 100 mm or less,
A plasma generating device in which the potential difference is 10 kV or more and 1000 kV or less.
前記一対の電極に接続された電源と、
前記媒体に分散された導電性を有する複数のナノ構造材料と、
を用いて行うプラズマ発生方法、
各前記ナノ構造材料は、直径が1nm以上100nm以下、長さが0.5mm以上100mm以下とされた端部を有する長尺とされ、
前記電極間の距離が1mm以上100mm以下とされ、
前記電位差が10kV以上1000kV以下とされているプラズマ発生方法。 At least one pair of electrodes for applying a potential difference to an insulating medium;
A power source connected to the pair of electrodes;
a plurality of electrically conductive nanostructured materials dispersed in the medium;
A plasma generation method using
Each of the nanostructured materials is elongated with an end having a diameter of 1 nm to 100 nm and a length of 0.5 mm to 100 mm;
The distance between the electrodes is 1 mm or more and 100 mm or less,
The plasma generating method, wherein the potential difference is 10 kV or more and 1000 kV or less.
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