JP2005520138A - 核融合を誘起する方法及び原子核融合リアクター - Google Patents

Abstract

原子核融合を誘引する方法と原子核融合を誘引するリアクターが、核融合可能な材の入った気泡を液体で充満された容器の中心に位置づけ、球対称の正音波パルスをその液体の中で発生する。音波パルスは容器の中心に向かって収束し、気泡を圧縮しその結果原子核の核融合をもたらす。

Description

関連特許出願の参照

この特許出願は、2002年３月12日に出願した米国特許出願60/363,401に基づく優先権を主張している。

この発明は核融合に関する。本発明の個々の実施例は原子核融合リアクターと核融合を促進し、エネルギーを発生する方法に関する。

原子核間の核融合は大きなエネルギーを発生する。核融合反応は、２個の原子核を相互静電反発力に対抗して互いに近づけ、新しく重たい原子核を作る過程を含む。この反応過程はエネルギーの発生を伴う。軽量同位元素（即ち、陽子の数の比較的少ない元素）がもっとも融合し易い。というのは、軽い元素の原子間の静電反発力はより重い元素間の静電反発力と比べて小さいからである。

このような軽量元素の原子間での核融合では、同様の核***反応と比べて発生放射能が著しく少ない。もっとも容易な融合反応は：
(i) D + D ＝＞ ³He + n + 3.6 MeV;
(ii) D + T ＝＞ ⁴He + n + 17.6 MeV; と
(iii) D + ³He ＝＞ ⁴He + H + 18.3 MeV
であり、ここでn は中性子、H は陽子を一つ持つ水素原子、D は重水素（即ち、水素の同位元素で陽子１個と中性子１個を持つ）、T はトリチウム（すなわち、水素の同位元素で陽子１個と中性子２個を持つ）、 ^xHe はx 個の中性子と陽子を持ったヘリウムの同位元素である。MeVの数値は融合反応で発生したエネルギーである。

核融合反応を誘起することは難しい。というのは相互静電反発力以上の力を出すために充分な速度に原子核を加速するためのエネルギーが必要であるからである。また原子核は非常に小さいので、２個の原子核が作用しあってその結果核融合が生まれるチャンスは非常に小さいのである。

リアクターのエネルギー効率は、発生したエネルギーと投入したエネルギーの比である。核融合リアクターでの発生エネルギーは、リアクターの中で起こった核融合の数と捕獲可能な発生エネルギーの量でおおかた決定される。核融合反応の投入エネルギーは、原子核融合反応の速度まで核反応子を加速し、核反応子を互いに作用しあえる空間に閉じ込めておくに必要なエネルギーでおおかた決定される。

商業価値のある核融合リアクターを作成するには、発生エネルギーが製造コスト、設備の設置、リアクターの操作費を相殺するに充分でなければならない。本発明者は、制御下で再現性があり商業価値のある核融合方法や、エネルギーをうまく発生できる核融合リアクターは知らない。

制御下で核融合反応を成功させるための一つの方法としては、軽量の原子核のプラズマをプラズマ中の粒子の熱速度が原子核間での融合をするために充分な温度まで加熱することである。プラズマは、たとえは重水素―トリチュウムの混合でもよい。加熱されたプラズマを、商業価値のある反応数の核融合を発生させる間、加熱されたプラズマを閉じ込めておくリアクターを提供することは現在も非常に困難なことである。

プラズマを閉じ込めておくには、いろいろな方法が提案されている。強力な磁場をいろいろな形で使用することも提案の一部である。磁場による閉じ込めの特定の欠点は：磁場の強度の限界；プラズマの不安定性によるエネルギーの損失；プラズマ中へ充分なエネルギーを注入することに関する困難さなどである。

核融合リアクター実用化のための、慣性による閉じ込め技術は、核融合可能な材料の固体ペレットを一つまたはそれ以上のエネルギー束で素早く加熱し、ペレットを爆発させ、温度が下がるまでに充分な数の核融合を発生させるというものである。慣性による閉じ込め実験のほとんどは、レーザー光で融合可能な材料を加熱するが、イオン束や電子束を使用することも提案されている。慣性による閉じ込め技術を使って核融合を発生させるための非常に高価な設備がいくつか開発された。慣性による閉じ込めの主な欠陥は、コストと核融合可能なペレットを加熱するための強力なビーム発生に関する技術の困難さである。いろいろと改良はされてきたが、現在、本発明者は商業価値のある慣性による閉じ込めを使用したエネルギー発生装置は知らない。その他のエネルギー源と比べて競争可能な値段でエネルギーを発生できる装置は出来ていない。
Taleyarkhan 他、"Evidence for Nuclear Emissions During Acoustic Cavitation"、 Science誌、2002年3月号

核融合可能な材料の気泡を液体中で作成し、音波（即ち、圧力波）を液中で発生することによって気泡をつぶすことを取り入れた、核融合を誘導するもう一つの技術が提案されている。気泡をつぶした時に気泡中の融合可能な材が圧縮され、加熱されて核融合反応の条件（すなわち、融合可能な核が充分な速度まで加速され、融合が起こることがある）まで加熱される。 Science誌、2002年3月号‘Evidence for Nuclear Emissions During Acoustic Cavitation"中でTaleyarkhan らは気泡を圧縮して核融合を誘導する基本設備を提案し、核融合可能なガス気泡の潰れるときに中性子とトリチュウムが製造されたことを検知したと主張している。Taleyarkhanらの文献を参照文献に含む。
米国特許No. 4,333,796 米国特許No. 5,659,173 米国特許No. 5,968,323

Flynn (米国特許No. 4,333,796)、Putterman ら(米国特許No. 5,659,173)とPless (米国特許No. 5,968,323)は、実質的にはサイン型の音波を超音波発生器で発生し、核融合可能な気泡をつぶす技術を提案している。

サイン型の音波は、比較的圧力の高い（即ち、サイン型圧波のピーク）時期と比較的圧の低い（即ち、サイン型圧波の谷）時期がある。張力下の液体は空洞化現象を起こす。この空洞化現象のために適応されるサイン型音波の谷でさえ、液体中の圧はゼロ以下まで相当減少することはできない。したがって、サイン型音波を使用して達成可能なピーク圧は液体の静圧の約２倍で制限される。液体の静圧は液体の容器の強度で制限される。

上記に説明した過去の技術の欠陥のいくつかを改良する核融合反応装置と方法の必要性がある。

本発明の要約

本発明によると、核融合を誘導する方法が提示されている。この方法は下記を含む：液体で充満した容器のある場所に、原子核を含む気泡を位置づけること；気泡を囲み、気泡の方向に収束する正音波パルスを液体中で発生すること；音波パルスが気泡を圧縮して原子核にエネルギーを与え、その結果核融合を誘導すること。

本発明のもう一つの特徴は、核融合リアクターを公開していることである。このリアクターは液体で充満した容器と容器の外側にとりつけた複数個のピストンを含む。これらのピストンは容器の外側に打撃を与え、その結果正音波パルスを液体の中に発生させるために起動することができる。原子核を含んだ気泡は、音波パルスが気泡を取り囲み、気泡に向かって収束し、気泡を圧縮するように容器の中で位置づけることができる。気泡の圧縮が原子核にエネルギーをあたえ、その結果核融合が誘起される。

本発明の詳細な特徴や応用は下記に説明する。

詳細な説明

以下の説明中、本発明をよく理解するために特定詳細はなされているが、本発明はこれらの詳細なしにも実施することができる。また、本発明を不要に不明瞭にすることを防ぐために、すでに良く知られている要素は示してないし詳しくは説明してない。したがって仕様と図には示されていることが本発明の限界ではなく、本発明を説明するものである。

本発明は“気泡圧縮”核融合反応を実施するための方法と装置を提供する。本発明は、核融合可能な材料の球形気泡を含む液体中で球対称な正音波パルスを発生することを含む。音波パルスが気泡を圧縮し潰すので、結果として気泡の中の核融合可能な材の圧と温度が上昇する。気泡の表面では、音波パルスのピーク圧は、サイン型または他の連続して振動する音波型で実現可能なピーク圧より相当高い。従って、核融合可能な材に影響する温度と圧はより大となる。このために潰されつつある気泡中の圧縮された核融合可能な材の中で核融合反応が促進されるのである。

第1図は本発明の実施例の一つの核融合リアクター10Aである。リアクター10Aは、液体14の入った球状の容器12を含む。球状の容器12は一般的にいってどのような大きさでもよい。より好ましい実施例では、球状の容器12の直径は約0.6 m から約2 m であり、約1mでもよい。

液体14は、音波伝達速度、比較的融点の低い液体の融点またはそれ以上の温度で蒸気圧が低い、比較的熱伝導性と熱容量が高いなどの望まれる性質さえ持っておればどのような物質でもよい。液体14は、たとえば、溶融リチウムや溶融ナトリウムなどの溶融金属がある。下記に、より詳しく説明するように、リチウムには核融合反応中に発生した中性子と反応して、核融合可能な材として再利用できるトリチウムを発生させる可能性があるという付加利点がある。しかも、リチウムは中性子からエネルギーを吸収する断面が事実上大きく、遮蔽媒体としても、また核融合で発生した中性子のエネルギーを熱に変換する媒体ともなる。

液体14は一つまたはそれ以上の添加物を含んでいてもよい。添加物は下記のものでもよい：
・ 核融合で発生した中性子と相互に作用しあってエネルギーのより低い中性子を2個以上作る同位元素。例としては¹¹Bなどの同位元素である。この分野の技術に長けている人たちは同位元素を倍増する他の中性子も使用できることが分かるであろう；
・ 中性子を吸収する同位元素。このような同位元素を添加するとリアクター10Aの壁をよりよく遮蔽する；また
・ 液体14の比重を増加する添加物。

第１図に示すように、リアクター10Aには圧制御装置16を含んでもよい。圧制御装置16の機能は、液体14の圧を適切な作動圧に維持することである。圧制御装置16は、広く多種の空気圧及びまたは水・油圧の要素を含んでいてもよい。図で示した実施例では、圧制御装置16にはソレノイド20により作動するピストン18が装備されている。ソレノイド20は制御装置116によって制御されるのが好ましい。制御装置116には１個またはそれ以上の適切にプログラムされたコンピュータ、またはその他のデータプロセッサーが含まれていることもある。また制御装置116にはここで説明する機能を発揮するように構成された1個またはそれ以上のアナログ回路が装備されていることもある。制御装置116には、リアクター10Aの中の水圧を好ましいレベルに維持するソレノイド20が含まれていることもある。圧制御装置16は、圧のフィードバック信号を制御装置116に送る圧センサー（図には無い）が装備されていることもある。液体14が維持する圧は本発明の個々の実施例によって異なる。液体14がリチウムを含む場合には適切な圧は70 bar から200 bar の間でもよく、たとえば約100 bar から125 barでもよい。

圧が高いと核融合可能な材の気泡が小さくなるので気泡の初期密度が高くなり、気泡の形状もほとんど完全な球形に近くなるので、実際上の制限範囲内で液体14の圧は高いことが望まれる。

貯水槽22には核融合可能な材24が入っている。核融合可能な材24はガス状に保たれ、重水素、トリチウム、³Heやこれらを組み合わせた軽量の同位元素の一つまたは一つ以上が含まれるのが好ましい。核融合可能な材24が重水素とトリチウムの組み合わせであると最も良い結果が得られると期待できる。たとえば、核融合可能な材24は50/50の割合の重水素とトリチウムの混合物を含んでいてもよい。

操作において、バルブ26を制御して核融合可能な材24の気泡28を液体14の中へ開口部15を通って放す。バルブ26はパルスバルブが好ましいが、バルブ26は、広く市販されている多種の製品のうちどれでも適切なバルブでもよい。バルブ26は、制御装置116で制御されるのが好ましい。気泡28は球形でバルブ26によって容器12の底の中心へ放出される。液体12中へ容器12の底で気泡28が放出されると、気泡28の浮力によって容器12の中心へ向かって上昇する。

球状の気泡が液体14中を移動する時に、粘度および・あるいは流体力学に関する力によって形が変形することがある。気泡28は、容器12の底から初めて離れた時には比較的小さく、液体14中を移動しているときも小さいことが好ましい。たとえば、気泡28の直径は100μm単位の大きさである。液体14中を移動する間、気泡の大きさが比較的小さく維持されているので、気泡28の球状からの変形度は小さくなるか、または最小となる。

第１図のリアクター10Aの中では、気泡が容器12の中心に到達するとき、または近づくときに圧制御装置16が素早く液体14の圧を下げる。液体14の圧が減少すると、気泡の大きさがそれに応じて増加する。図を示した本発明の実施例では、圧制御装置16がピストン18を引き込んで素早く液体14の圧を下げる。減少した圧と気泡28の大きさの増加は、本発明の実施例によって異なることがある。ひとつの実施例では、液体14の圧は約125 barに維持して直径約100 μmの気泡28を液体14の中へ送りこむ。気泡28が容器12中心に到達したとき、圧を素早く約1 mbarまで下げると、その結果圧の減少に対応した気泡28の直径は約5 mmまで増加する。

液体14の圧が下がり対応して気泡28が大きくなるときに、高圧の球対称の正音波パルス40（第３図参照）を液体14にかける。正の音波パルス40は液体14中に広がる衝撃波であってもよい。第３図に示すように音波パルス40は気泡28に向かって収束する。

音波パルス40は気泡28が大きくなった（すなわち、気泡28がまだ容器12の中心または中心近くにあるとき）後、すぐにかけるのが好ましい。音波パルス40をかけるタイミングは重要である。核融合を起こすためには、気泡28は潰れるときにはほとんど完全な球対称性をもっていることが必要である。気泡28が大きくなってからもその浮力で液体14中を相当な時間移動すると、気泡28の形状が変形することがある。もし気泡28が音波パルス40でつぶされるまでにそのような変形が起こると必要な対称性を妨げることがある。

概して、広く多種の装置で球対称の音波パルス40をかけることができる。第１図のリアクター10Aにおいては、パルス発生装置30はバルブ42、コンプレッサー44、それぞれ対応するピストン36を起動させる複数の空気銃32を含んだ空気圧―機械システムから構成されている。空気銃32とピストン36は球状の容器12の外側を取り巻いて球対称に並べてある。空気銃32は圧縮空気（または他のガス）がバルブ42を通して充填され、コンプレッサー44で圧縮される。 リアクター10Aの中では、空気銃32がそれぞれ対応した引き金34で制御される。球対称の音波パルス40を発生したいときには、引き金34が引かれて(好ましくは制御装置116によって) 空気銃32がピストン36を高速度まで加速する。そうしてピストン36は容器12の壁の外表面12Aを打撃する。

各ピストン36はできるだけ同時に容器12の外表面12Aを打撃し、各ピストン36は容器12の外表面12Aをできる限り等しい速度で（即ち運動エネルギー）打撃する（即ち、可能な最低限許容量内で）。このような常に一貫した運動エネルギーとタイミングは、液体14中で発生する音波パルス40が球対称であることを確実にする。第1図のリアクター10A内で制御装置116がピストン36のタイミングと速度を引き金34が引かれる時刻を制御する。その上、空気銃32の特性を精密に調節することもある。このようにして引き金34が引かれたあと、ピストン36は開放ループ（即ち、フィードバックなしで）で作動する。

ピストン36が容器12の外表面12Aを打撃する速度（即ち運動エネルギー）は、ピストン36や容器12を修理のきかないほどの損傷は与えずに、実用上できるだけ速くするのが好ましい。ピストン36が容器12を速い衝撃速度で打撃すると、結果として発生する音波パルス40はより大きなピーク圧となり、その結果より大きな率で核融合を得ることになる。ピストン36が打撃する速度を充分はやくできれば、高圧の音波パルス40が衝撃波となり得る。

ピストン36が容器12の外表面12Aを打撃するときには、球対称音波パルス40が液体14中に伝達し、気泡28に向かって収束する。ピストン36は、音波パルス40が収束するときには気泡28の存在する位置に収束するように一斉に引き金が引かれるのが好ましい。

第３図は音波パルス40が容器12の放射線状に伝達するいろいろな時点（AからI）でのプロフィールを概略図で示している。時点Aでは気泡28は容器12の中心に近く、このときにパルス発生装置30が引き金34を引いてピストン36を発射する。時点AとBの間ではピストン36は容器12の外表面12 A を打撃し、球対称な音波パルス40を発生する。

一般的に、球状に収束する波形の振幅は1/Rと共に増加する。ここでRは波の瞬時半径である。第３図に示すように、B、CとD時点では球状に収束し球対称の音波パルス40の振幅は1/Rと共に増大する。球対称な音波パルス40が気泡28（即ち時刻E）に到達したときの振幅は次式で与えられる：

ここでPoは容器12の内部壁での初期圧、Rbは気泡28の半径、Rvは容器12の半径である。

実際には、音波パルス40のピーク圧は容器12、気泡28、音波パルス40の精確さと対称性によって制限される。その上、初期の圧P0は任意に高くすることはできない、というのはピストン36が容器12を打撃する運動エネルギーを増加することは、容器12やピストン36または両者に損傷をきたすからである。典型的に、高強度のスチールは10 kbar単位の衝撃圧を構造に損傷を与えずに耐えることができるものである。例をあげると、もし容器12と気泡28と音波パルス40の対称性の許容誤差が約3%であれば、Rv/Rb比は30位である。Poが約10 kbarと仮定すると、気泡28（すなわち、第３図の時点E）の表面での音波パルス40のピーク圧は約P peak = 300 kbarである。もし、容器12と音波パルス40の対称性が約1%の許容誤差以内であれば、気泡28の表面での音波パルス40のピーク圧は約P peak = 1 Mbarである。これらの例は本発明によるとリアクターに対する対称性の重要さを示している。

リアクター10Aのパルス発生装置30によって発生された音波パルス40は、球形の容器12の中心を焦点にした正の波形である。対称性がよいと、気泡28の表面での音波パルス40のピーク圧は容器12の壁が耐えられる圧の100倍（またはそれ以上）にもなることもある。音波パルス40のピーク圧はサイン型、または他の連続振動している音波で得られるピーク圧よりも相当改良されていることを示している。上記に説明したように、このような音波が発生できる圧は、流体静水圧の大体２倍が限界である。静水圧は容器12の壁が安全に耐えられる圧で限定される。

音波パルス40が気泡28に収束するときのパルス40のピーク圧は気泡28を激しくつぶすに充分な圧である。気泡がつぶれると、気泡28内の核融合可能な材24は断熱的に圧縮され、核融合可能な材24の中で熱核融合を誘導するに充分な高圧、高温度まで上昇する。

核融合反応が起こるとエネルギーが放出される。このエネルギーは液体14が熱として捕獲する。液体14が吸収した熱量は起こった核融合の特性による。核融合反応中に生じた中性子は、液体14に吸収されて容器12の壁には到達しないことが望ましい。液体14による中性子の吸収は中性子の活性化を妨げ、容器12やリアクターの他の部品の強度を落とすことがある。液体14に吸収された熱エネルギーは、エネルギー発生でよく知られているいろいろなエネルギー変換技術を使って液体14から取り戻すことができる。液体14は14 MeV程度のエネルギーを持った中性子の速度の減少を仲介する材料を含んでいることが好ましい。

第2図には、本発明のもうひとつの実施例の核融合リアクター10Bが示してある。第2図の核融合リアクター10Bは、液体14の入った球状の容器12を含む第1図の核融合リアクター10Aとよく似ているが、第2図のリアクター10Bは流体回路50が装備されている。流体回路50は、液体14が容器12に流入するインプットポート52と液体14が容器12から流出するアウトプットポート54と、液体14の流動方向を指図するポンプ56が含まれている。流体回路50は流動制御バルブ(図に無し)が含まれており、バルブは制御器116で制御されることが好ましい。

核融合可能な材24（ガス状であることが好ましい）の入っている貯水槽22は流体回路50と繋がっている。制御バルブ（図に無し）は貯水槽22と流体回路50の接続点にあるのがよい。第1図の核融合リアクター10Aと同様に、重水素、トリチウム、³Heまたはこれらの組み合わせなどの軽質量同位元素で核融合可能な材24を含んでいること好ましい。

核融合可能な材24の気泡28は貯水槽22から離れ、インプットポート52を通って容器12に流れ込むようにしてもよい。液体14の容器12を通ってインプットポート52からアウトプットポート54までの流れが気泡28を比較的素早く容器12の中心へ運ぶ。ある実施例ではリアクター10B内の液体14の圧は変化せず、それに対応する気泡28の大きさにも変化はない。

液体14が容器12の中を流れているときには、核融合可能な材24を含んでいる気泡28は球状のカプセル（即ちミクロ気球）に包まれているのが好ましい。このようなミクロ気球は気泡28の変形を最低限にとどめるために硬質であってもよい。たとえば、ミクロ気球の壁はガラス、プラスティックやその他の適当な材料で作られていてもよい。このタイプのミクロ気球はポート52から容器12へ流れ込む液体14のなかに注入してもよい。

気泡28が容器12に到達するとき、または大体その頃、球対称の正の音波パルス40（第３図参照）が液体14にかけられる。リアクター10Aと同じく、球対称のパルス40は広くいろいろな装置で発生してもよい。第2図に示したリアクター10Bのように、音波パルス40は容器12の外表面12Aを打撃するインパクターを含むパルス発生装置70で発生される。

パルス発生装置70はリアクター10A のパルス発生装置30と同じ基本構成要素からなっている。その構成要素は：バルブ42、コンプレッサー44、球状の容器12の外側に球対称に配置された複数の空気銃32とそれらに対応したピストン36。下記にさらに詳しく説明するように、空気銃32が撃たれる時刻、ピストン36が容器12を打撃する運動エネルギーと、ピストン36が容器12を打撃する時刻を制御して、気泡28が完璧に容器12の中心に位置していなくても音波パルス40が気泡28の位置に収束するようにもできる。

リアクター10B のパルス発生装置70は、それぞれのピストン36（第4図参照）に関連したピストン制御装置71を含んでいる。第4図に示したように、各ピストン制御装置71にはピストンのフィードバック機構72とサーボ ループ74が備わっている。サーボ ループ74はデジタルであってもよく、制御装置116に接続していてもよい。

各ピストン制御装置71はそれぞれ関連したサーボ ループ74と位置フィードバック機構72を使って対応したピストン36の動きを制御する。特に詳しくは、ピストン制御装置71が各ピストン36が容器12の外側表面12Aを打撃する速度（即ち運動エネルギー）と各ピストン36が容器12の外側表面12Aを打撃する時刻を制御して音波パルス40のいろいろな特性を決定する。ピストン制御装置71は音波パルス40の振幅及び・または音波パルス40が収束する位置を制御する。好ましい実施例では、音波パルス40は、ピストン36に大きな損傷を与えない以内で、できるだけ大きく、容器12の中心または中心近くにある気泡28に収束するのがよい。

第4図の実施例では、各位置フィードバック機構72は、関連するピストン36の位置を測定する光ファイバー干渉計76が装備されている。光ファイバー干渉計76の位置測定の正確度は1μm以上であることが好ましい。聴音、光学及びまたは電気容量センサーなど、その他のタイプの位置センサーで位置のフィードバック機構72を実施してもよい。

第4図に示した実施例では、各ピストン36は永久磁石78が装備されており、それぞれ関連した空気銃32はコイル80に囲まれている。コイル80の略図は、第4図では複数のループ80A-80Gがあることをしめしている。この技術に長けた人は、コイル80のコイルの巻き数は異なってもよいことが分かるであろう。複数の高速トランジスター82A-82Gは、ループ80A-80Gのひとつずつと関連している。ループ80A-80Gと関連している高速トランジスター82A-82Gは、それぞれ対応するループ80A-80Gに流れる電流の量を制御するように構成されている。ピストン36の動作が磁石78をコイル80中を通り、各ループ80A-80Gに電流を誘電する。コイル80の各ループ80A-80Gに流れる電流は、磁石78の磁場と干渉する磁場を発生する。各ループ80A-80Gに電流を流すに必要なエネルギーはピストン36の運動エネルギーから供給される。従って、速いトランジスター82A-82Gはサーボループ74でループ80A-80Gに誘導される電流をすばやく調整して、それに対応してピストン36の動きを制御してもよい。

各々のピストン制御装置71のサーボループ74は、対応するピストン36の動きを、少なくとも関連した位置フィードバック機構72（即ち光学ファイバー干渉計76）から得られた位置に関する情報に基づいて制御する。たとえば、音波パルス40（第3図参照）を容器12の精確に中心に（すなわち、音波パルス40が収束するときにもし気泡28が容器12の中心にあれば）収束させたければ、各サーボ ループ74は対応するピストン36の動きを、複数の球対称ピストン36が容器12の外側表面12Aを精確に同じ速度で（即ち運動エネルギー）精確に同じ時刻に打撃するなどのように制御する。

ピストン36が容器12の外表面12Aを打撃するときに球対称の音波パルス40を発生する。リアクター10B中の音波パルス40の伝達は、リアクター10Aのそれとほとんど同じであり、第3図に概略図が示してある。リアクター10Bのパルス発生装置70にはピストン制御装置71も含まれているので結果として生じる音波パルス40の対称性は、リアクター10Aと音波パルスとの関係よりよくなることがある。

第5図に概略を示すように、リアクター10Bは気泡追跡装置110を備えているのが好ましい。気泡追跡装置110は気泡28の容器12内での動きを追跡し、この情報をピストン制御装置71に供給する。気泡追跡装置110は、気泡28の位置を測定し追跡するためのいろいろな異なったタイプの位置センサーから構成されていてもよい。第5図に示した実施例では、気泡追跡装置110は容器12の内面に、３つの別々の軸上にある３個の超音波位置センサー112A, 112B, 112C の組み合わせを含んでいてもよい。位置センサー112A, 112B, 112Cの軸は互に直角方向であることが好ましい。明確にするために、第5図では２個だけの超音波位置センサー112A, 112Bを描いてある。各超音波位置センサー112は超音波パルス114を対応する軸に沿って送り、反射信号を検知し、この信号から対応する軸方向での気泡28 の位置を測定する。気泡28の３つの軸方向に沿って測定された位置が気泡28の3次元位置を決定する。気泡追跡装置110は、測定された気泡28の位置を使って将来の気泡28の位置を予測することもできる制御装置116を備えていてもよい。

ピストン制御装置71（第4図参照）は気泡28の測定位置及び・または予測値を用いてピストン36の動きを制御することもできる。もっと詳しく説明すると、気泡追跡装置110から得た気泡28の測定位置及び・または予測値に少なくとも部分的に基づいて、各ピストン制御装置71は対応する個々のピストン36の動きを制御する。音波パルス40が収束する位置を調整するために、ひとつのピストン36が容器12を打撃する時刻、及び・またはひとつのピストン36が容器12を打撃するときの運動エネルギーを制御することもできる。たとえば、気泡追跡装置110が気泡28が容器12の中心からある距離に位置すると予測したら、ピストン制御装置71が、容器12の回りの異なった位置に装備されているピストン36が容器12の外表面12を異なった時刻に打撃するように、それぞれ対応するピストン36の作動を制御することもできる。このようにして、パルス40は容器12の中心から離れた、気泡28の予想される位置の方に向かって収束することもできる。

リアクター10Bも、気泡28の位置を制御し容器28の中心に向かって気泡28を動かす気泡位置づけ装置118（第5図参照）が含まれていてもよい。気泡位置づけ装置118は、容器12のひとつの軸122の沿って反対側にある一対のジェット120A, 120Bと、容器12のある距離だけ離れたもうひとつの軸126に沿って反対側にもう一対のジェット124A, 124Bとが装備されていてもよい。

ジェット120、124は、液体14を容器12の壁から内部へ向かって、それぞれ対応する軸122, 126に沿って流れるようにする。個々のジェット120、124は制御装置116で制御されてもよい。制御装置116は気泡追跡装置110に接続されていて、気泡28に関する測定位置の情報を受けられるようになっていることが好ましい。また、気泡28の測定位置に少なくとも一部基づいて気泡28を容器28の中心方向に動かすために必要なジェット120、124の流れを決定するのが好ましい。第5図に示したように制御装置116はジェット120、124へ始動シグナルを供給することもできる。

音波パルス40が気泡28に収束すると、パルス40のピーク圧は気泡28が激烈に崩壊するに充分である。この崩壊が起こると、気泡28に含まれている核融合可能な材24は断熱的に圧縮され、核融合可能な材24が熱核融合反応を起こすに充分な圧と温度まで上がる。

核融合反応が起こるとエネルギーが放出される。このエネルギーは液体14に捕獲される。これが液体14を加熱する。液体14に吸収される熱量は起こる核融合の特性による。第2図の実施例では、リアクター10Bには液体14から熱エネルギーを抽出するために、オプションであるが熱交換器90が装備されている。適切な熱交換器ならばどのようなものを利用してもよい。エネルギー発生の技術では熱交換器はよく知られている。液体流動回路50のポンプ56は、液体14を容器12からは熱交換器90内のコンジット96に導くアウトプットポート54を通って流出させる。熱せられた液体14がコンジット96を通って流れると液体14の熱が水94を沸騰させ、水94を圧縮蒸気92に変換する。また、圧縮蒸気92はタービン98と交流発電機100を回転させて熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。熱エネルギーが電気エネルギーに変換された後、コンデンサー102は蒸気92を水94に戻して熱サイクルを完了する。図で説明したこの実施例では、タービン98はパルス発生装置70のコンプレッサー44も駆動する。

熱交換器90は本発明の全実施例に必要なものではない。ある実施例では、液体14で発生した熱を直接利用することもできる。他の形の熱変換装置を使い、熱を電気エネルギーや他の形態のエネルギーに変換することもできる。

操作中に気泡28（ミクロ気球内に閉じこまれていることもある）は容器12に入っている液体14内に放出される。気泡28は液体流動回路50によって出来る流れで容器12の中心に向かって運ばれる。容器12の中心に向かって運ばれている間に、気泡28の位置は気泡追跡装置110によって追跡され、気泡位置付け装置118で調整されることもある。パルス発生装置70は、容器12の外表面12Aを複数の球対称な位置で打撃することによって球対称の正音波パルス40を発生させる。パルス発生装置70は、複数のピストン36を空気銃32で起動させてパルス40を発生させる。各ピストン36の運動エネルギーとタイミングは、気泡追跡装置からの情報を使用して、パルス40の収束の位置などのパルス40の特性を制御することによりピストン制御装置71によって制御してもよい。音波パルス40は、気泡28に収束し、それに含まれている核融合可能な材を核融合を起こすに充分な熱核圧と温度まで圧縮し加熱する。核融合反応は熱エネルギーを放出し、このエネルギーは液体14によって捕獲され、熱交換器90によって電気エネルギー（またはその他の形状のエネルギー）に変換される。

本発明に関連する技術に熟知した人たちには明瞭であるように、本発明を実行する際に、その精神や範囲から外れることなく多々の変更や修正が可能であることが明瞭であろう。
たとえば：
・ この技術に熟知した人たちには、リアクター10A（第1図）の構成要素をリアクター10B（第2図）の構成要素と組み合わせてもよいことがわかるであろう。たとえば、リアクター10Aのパルス発生装置30にピストン制御装置71を組み込んで、ピストン36の速度とタイミングのいかなる差をも制御し最小化することもできる。他の例は、液体流動装置50およびまたはリアクター10Bの熱交換器90をリアクター10Aに導入しても良い。
・ 本発明の概念を取り入れた球状のリアクターは、一般にどのような大きさでもよい。上記に説明したように、現在、容器12の直径は約１ｍが好まれている。容器12がこれより大きい場合には音波パルス40のピーク圧はより高くてもよい（式1を参照）。しかし、容器12をこれより大きくした場合には、容器自身の対称性を制御することは困難であり、関連したパルス発生装置のタイミング、速度、対称性を制御することは更に困難になることがある。容器12の大きさに関するこれらの長短所は工学技術の問題であって、容器12の大きさは達成しようとする目的に応じて選ばれる。
・ 本発明の概念を取り入れたリアクター、特にパルス発生装置30, 70は音波パルス40を発生するために使われたエネルギーを再捕獲するようにデザインすることもできる。気泡28が潰れた（第３E図を参照）あと、波形40は第3F, 3G, 3Hに示したように、さらに広がり放射状に容器12の内壁に向かって散開する。この散開する波形40が容器12の内壁表面に到達したときにピストン36を外向き放射状に加速し、その結果空気銃32中の空気（または他のガス）をもう一度圧縮してもよい。この空気銃32の再圧縮は、次の音波パルス40を発生するためのエネルギー消費を最低限にとどめ、本発明の概念を取り入れてリアクターの効率をあげることもできる。典型的には、音波パルス40が容器12を通して伝達するときに多少のエネルギーは失われるのである。音波パルス40で空気銃32を再びセットするに必要なエネルギー全部を供給することはできない。空気銃32中の空気（または他のガス）は、必要なレベルまでコンプレッサー44と制御装置116で制御されるバルブ42によって補給されてもよい。
・ 上記に説明したパルス発生装置30, 70は、容器12の外側に球対称に配置された複数の衝撃器具を装備している。ここに説明した実施例では、衝撃器具はピストン36である。ピストン36の正確な数は異なることもある。パルス発生装置30, 70は50個以上のピストン36を含んでいることもあり、100個のピストン36を装備しているのが好ましい。上述のように、各ピストン36には、それぞれ対応した空気銃が備わっている。ピストン36の質量と速度は、ピストンの数とパルス発生装置30に必要な運動エネルギーの量による。たとえば、各ピストンの重さが0.5 kgで容器12を打撃するときの速度が200 m/sの100個のピストンから構成されているパルス発生装置では、合計１MJの運動エネルギーを供給することができる。
・ パルス発生装置30, 70は、球対称な高圧の音波パルスを発生するその他の多種の技術を使って製作してもよい。たとえば、電気アクチュエータ、電気をエネルギー保存する手段および・または電気スイッチなどの電気部品を使ってパルス発生装置30, 70を製作してもよい。同様に、パルス発生装置30,70は、爆発してエネルギーを発生する化合物など化学エネルギー構成要素を使ってもよい。
・ 本発明の概念を取り入れた核融合リアクター内でエネルギーを発生させる速さは、次々と気泡28を容器12の中心に移動させ、次々と音波パルス40をかけて気泡28を潰すに必要な時間による。この時間は、気泡28（リアクター10A）の浮力、液体流動回路50（リアクター10B）と液体14中での音波の速度によって相当異なる。本発明の概念を取り入れたリアクターでは、パルスの速さが2 Hz以上であり、好ましくは4 Hzもしくはそれより速い周期でパルスを掛けられるようにデザインすることもできる。
・ リアクター10Bの流動回路50での液体の流れる速度は、リアクター10B内での熱エネルギー発生速度と気泡28が気泡28の球形状を変形せずに液体14中で移動する上限速度を含めたいくつかの因子による。安定な流動形態を維持するのが好ましい。好ましい実施例では、液体14がリアクター10Bの中央軸に沿って上昇し、リアクター10Bの周囲を回って降下するトロイド状の流動パターンが維持される。このようなトロイド状の流動パターンでは、容器12の直径が1mで、パルス速度が4 Hzの場合の流動回路50の流動速度は約0.25 m³/sが好ましい。熱エネルギーが発生するにつれて熱交換機90で液体14からの熱エネルギー抽出量を増加するので流動回路50の流速は増加することもある。しかし、流速が速くなるにつれて気泡28の形状が変形され核融合を減少させるので、流動回路50での流速は限りなく増加できるものではない。
・ 核融合反応が高速度の中性子を発生し、液体14がリチウムの場合には液体リチウムは高速度の中性子と反応してトリチウム（⁶Li + n ＝＞ T + ⁴He + 4.6 MeV）を発生する。このトリチウムは抽出され、この装置で燃料（すなわち核融合可能な材）として再利用される。
・ 第２図に示したように、リアクター10Bで発生されたエネルギーの一部をパルス発生装置70の空気銃32中の空気（または他のガス）を入れ替えるためにコンプレッサー44を利用してもよい。コンプレッサー44はタービン98で駆動してもよい。また代わりの実施例では、熱交換器90で発生した圧縮蒸気92を直接利用してパルス発生装置70の空気銃32を駆動してもよい。
・ 気泡追跡装置110は、気泡28の位置の測定位置の精確度を改良するために多数の位置検知器を備えることもできる。第5図の気泡追跡装置110は、3個以上の超音波位置検知装置112を備えることもある。
・ 気泡位置づけ装置118は2対以上のジェット120, 124を含んでいてもよい。技術に長けている人たちには、ジェット（図に無し）をさらに加えることによって気泡位置付け装置118による気泡28の位置付けをより精確にできることが明瞭であろう。

従って、本発明の目的は請求の範囲に定義された内容に従って説明される。

本発明の応用はこれらの例に限られたものではないが、本発明の実施例を示す図：
第1図は、本発明実施例1の核融合球状リアクターの断面図； 第2図は、本発明実施例2の核融合球状リアクターの断面図； 第3図は、本発明による音波パルス中の圧の放射状分布をしめす図； 第4図は、第2図のリアクターのピストン動作を制御するためのピストン制御装置の略図； 第5図は、第1図と第2図のリアクターに使われる気泡追跡装置と気泡位置づけ装置の略図。

Claims (57)

1. 核融合を誘起する方法であって、前記方法は下記を含んでいる：
   液体の充満した容器中で原子核を含んでいる気泡を位置付け、；
   正音波パルスを液中で発生し、前記音波パルスは気泡を取り囲み、気泡に向かって収束する；そして
   音波パルスが気泡を圧縮して原子核にエネルギーを供給し、その結果少なくとも2個の原子核の融合を誘起する。
2. 実質的には断熱圧縮により原子核の温度と圧を上げることによって気泡を圧縮する請求項１記載の方法。
3. 音波パルスの振幅が、前記気泡の位置に収束するに従って増加する請求項１又は２に記載の方法。
4. 液体で充満された容器がおおまか球状で、前記球状の容器を充満している液の中心のほとんど近くに前記気泡を位置づけることを含む請求項１乃至３いずれかに記載の方法。
5. 正音波パルスを液中で発生する際、気泡の位置に向かって球状に収束する球対称の音波パルスを発生することを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の方法。
6. 気泡がガス状である、請求項１乃至５いずれかに記載の方法。
7. 気泡に浮力があり、気泡を位置づけるには、気泡を容器に挿入することと、気泡を前記位置まで浮上させて位置づけることを含む請求項１乃至６いずれかに記載の方法。
8. 気泡を圧縮する直前に気泡の大きさを増加することを含む請求項７記載の方法。
9. 気泡の大きさを増加するに際し液体の圧を下げることを含む請求項８記載の方法。
10. 液体の容器の片側と前記容器の反対側との間に液体の流れを作り出すことを含む請求項１乃至６いずれかに記載の方法。
11. 気泡を位置付ける際に、流動体の流れの中に気泡を挿入し、気泡が流動体の流れに運ばれることを含む請求項１０記載の方法。
12. 気泡がミクロ気球で囲まれている請求項１乃至１１いずれかに記載の方法。
13. 原子核が重水素核；トリチウム核；ヘリウムの同位元素の原子核のひとつまたはそれ以上を含む請求項１乃至１２いずれかに記載の方法。
14. 液体がリチウムを含む請求項１乃至１３いずれかに記載の方法。
15. 正音波パルスを発生するに、容器の外側を打撃することを含む請求項１乃至１４いずれかに記載の方法。
16. 容器の形が球状で、前記容器の外側を打撃する際に容器を球対称な複数の位置で打撃することが含まれている請求項１５記載の方法。
17. 容器を球対称な複数の位置で打撃する際に、容器をおおむね同時に複数の位置で打撃することを含む請求項１６記載の方法。
18. 球対称な複数の位置で容器を打撃する際に、容器をそれぞれに位置でおおむね同一の運動エネルギーで打撃することを含む請求項１６又は１７記載の方法。
19. 球対称な複数の位置で容器を打撃するには、複数のそれぞれの位置のそばにピストンを装備し、ピストンが容器をそれぞれ対応する位置で打撃するまで各ピストンを容器の方向に動かすことを含む請求項１６乃至１８いずれかに記載の方法。
20. 容器をおおむね同時に複数の位置で打撃する際に、ピストンが容器の方向に向かって動くときの各位置に対応するピストンの位置を測定することと、測定したピストンの位置に基づいてピストンの動きを制御することを含む請求項１９記載の方法。
21. 容器を各位置でおおむね同じ運動エネルギーで打撃する際に、ピストンが容器の方向にうごくときの各位置に対応するピストンの位置を測定することと、前記ピストンの測定値に基づいてピストンの動きを制御することを含む請求項１９記載の方法。
22. 気泡の位置を測定することを含む請求項１６記載の方法。
23. 気泡の位置を測定するに、一つまたはそれ以上の超音波信号を送受信することを含む請求項２２記載の方法。
24. 前記位置に気泡を位置づけるにあたり、一つまたはそれ以上の流動形態を液体中に作り出し、少なくとも部分的には気泡の測定位置に基づいて各流動形態の量を測定することを含む請求項２２又は２３記載の方法。
25. 複数の球対称な位置で容器を打撃するにあたり、ピストンが容器に向かって動くときに各位置に対応するピストンの測定位置と、気泡の測定位置とに基づいてピストンの動きを制御することを含む請求項２２又は２３記載の方法。
26. ピストンの動きを制御する際に、ピストンの周りのコイルの巻き線に流れる電流の量を制御することを含む請求項２０、２１又は２５いずれかに記載の方法。
27. 各ピストンを容器の方向に動かす際に、ピストンを圧縮ガスで始動することを含む請求項１９乃至２２いずれかに記載の方法。
28. 圧縮ガスが、少なくとも部分的には液体の中で超音波パルスによって圧縮される請求項２７記載の方法。
29. 少なくとも2個の原子核の核融合が熱エネルギーを生産し、前記方法は前記熱エネルギーが液体に吸収されることを含む請求項１乃至２８いずれかに記載の方法。
30. 少なくとも液体に吸収された一部の熱エネルギーを、少なくとも前記熱エネルギーの一部を電気エネルギーに変換して抽出することを含む請求項２９記載の方法。
31. 少なくとも一部の熱エネルギーを電気エネルギーに変換する際に、タービンを前記熱エネルギーを利用して始動することを含む請求項３０記載の方法。
32. 下記の要素を含んでいる核融合リアクター：
    液体で充満された容器；
    原子核の入った気泡で、容器の中で位置づけることの可能な気泡；と
    容器の外部に装備された複数のピストンで、それらのピストンは容器の外表面を打撃するために始動することができ、その結果、気泡を取り巻き、気泡に向かって収束して気泡を圧縮する正音波パルスを液体中発生し；気泡を圧縮することによって原子核にエネルギーを供給してその結果、すくなくとも2個の原子核間に核融合を誘起する。
33. 原子核の温度と圧を上昇するために気泡の圧縮はおおむね断熱的である請求項３２記載のリアクター。
34. 前記位置に収束するにつれて、音波パルス振幅が増加する請求項３２又は３３記載のリアクター。
35. 液体で充満した容器は、おおむね球状で、前記位置とは、球状の液体で充満された容器の中心である請求項３２乃至３４いずれかに記載のリアクター。
36. 超音波パルスは球対称の超音波パルスで球状に気泡の位置に向かって収束する請求項３２乃至３５いずれかに記載のリアクター。
37. 気泡はガスである請求項３２乃至３６いずれかに記載のリアクター。
38. 気泡には浮力があり、液中を上昇して前記位置へ移動させることのできる請求項３２乃至３７いずれかに記載のリアクター。
39. 気泡が前記位置にあるとき、液の圧を減少して気泡を大きくする手段を含む請求項３８記載のリアクター。
40. 気泡を流体の流れのなかを移動させて前記位置につけることのできるように、容器の片側から容器のその反対側へ流体の流れをつくるための流体流動回路の装備されている請求項３２乃至３７いずれかに記載のリアクター。
41. 気泡がミクロ気球に囲まれている請求項３２乃至４０いずれかに記載のリアクター。
42. 原子核が、重水素；トリチウム；ヘリウムの同位元素の一種または一種以上を含む請求項３２乃至４１いずれかに記載のリアクター。
43. 液体がリチウムであることを含む請求項３２乃至４２いずれかに記載のリアクター。
44. 気泡の位置を測定するために、容器の内壁に取り付けられた１個またはそれ以上の気泡位置測定装置を含む請求項３２乃至４３いずれかに記載のリアクター。
45. 気泡の位置測定装置が超音波位置測定器具を含む請求項４４記載のリアクター。
46. 各ジェット対が、容器の相対する内壁に一対づつ装備され、液体に対応した流れを作りだす一対またはそれ以上の対のジェットを含む請求項４４又は４５記載のリアクター。
47. 少なくとも部分的には気泡の測定された位置に基づいて液体のそれぞれの流量を測定するために接続された制御装置を含む請求項４６記載のリアクター。
48. 容器が球状で、複数のピストンが容器を打撃するためにそれぞれ対応した球対称の位置に装備された請求項３２乃至４７いずれかに記載のリアクター。
49. 複数の各ピストンが、容器を事実上同等の運動エネルギーで打撃するようにピストンの大きさを定め、起動する請求項４８記載のリアクター。
50. ピストンの位置を測定するために各ピストンセンサーがそれぞれ対応するピストンと関連している複数のピストンセンサーを含む請求項４８又は４９記載のリアクター。
51. 少なくとも部分的に測定されたピストンの位置に基づいて、対応するピストンの動きを制御するために、少なくともひとつの位置センサーで測定されたピストンの位置情報を受信するために接続されている制御装置の装備されている請求項５０記載のリアクター。
52. 対応するピストンの動きを制御するために、制御装置が少なくとも部分的にはピストンの測定位置と気泡の測定位置に基づいて、ピストンと気泡との測定された位置情報を受信するために接続されている請求項５１記載のリアクター。
53. 各ピストンに取りつけられた磁石と、各ピストンを取り巻いているコイルと、コイルの中での磁石の動きでコイルに誘起された電流を制御し、従って関連したピストンの動きを制御するために接続された制御装置とが含まれている請求項５１又は５２記載のリアクター。
54. ピストンが圧縮ガスで起動される請求項３２乃至５３いずれか記載のリアクター。
55. 圧縮ガスは少なくとも部分的に液体内で音波パルスによって圧縮される請求項５４記載のリアクター。
56. 少なくとも2個の原子核の核融合が液体に吸収される熱エネルギーを発生する請求項３２乃至５５いずれかに記載のリアクター。
57. 液体に吸収された熱エネルギーの少なくとも一部を電気エネルギーに変換して抽出するために容器と接続している流動体の中の熱交換装置を含む請求項５６記載のリアクター。

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