JP2010540962A - レーザー慣性閉じ込め核融合・核***発電プラントの制御 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
[連邦支援の研究または開発に基づいた発明の権利に関する声明]
[目次]
I.背景技術……………………………………………………………………………………2
II.発明の概要…………………………………………………………………………………4
III.図面の簡単な説明 ………………………………………………………………………5
IV.好ましい実施例の詳細な説明…………………………………………………………7
1.概要………………………………………………………………………………………7
2.プラントレイアウト……………………………………………………………………9
3.チャンバー……………………………………………………………………………10
4.第1壁…………………………………………………………………………………14
5.チャンバー冷却システム……………………………………………………………15
6.核***燃料 ……………………………………………………………………………18
7.分割核***燃料ブランケット………………………………………………………24
8.ターゲット……………………………………………………………………………30
9.レーザー構造…………………………………………………………………………34
10.結論…………………………………………………………………………………38
[背景技術]
慣性閉じ込め核融合に必要な状態を作るレーザー能力は、2010年ごろにNIFで実証されると期待されている。点火及び少量のターゲット利得が期待される。レーザーエネルギーに対する核融合収率の比は約10になることが予測され、10〜15MJの核融合エネルギー収率が導かれる。点火及び利得を実証する最初の実験では、中心ホットスポット(CHS)点火構造及び1〜1.3MJのレーザーエネルギーを有する350nmのレーザー光が使われる。NIFでの点火及び燃焼の実験は成功すると予想されるが、もし、その技術を用いて核融合だけから効率的で費用効果が高い発電を行うとしたら、200MJを上回る核融合収率がCHS構造に対して要求されるであろう。
[0055] LIFE機関は、ウラン濃縮なしで電力を生産し、兵器吸引アクチニド流を化学的に分離する必要なしに核廃棄物を燃焼する。レーザーで生成された熱核融合によって生産された高エネルギー中性子の点線源が、未臨界核***ブランケットの核***燃料または親物質燃料の超高度燃焼を実現するために使用される。採用できる親物質燃料は、劣化ウラン(DU)、天然ウラン(NatU)、使用済核燃料(SNF)、及びトリウム(Th)を含む。低濃縮ウラン(LEU)、余剰兵器プルトニウム(WG−Pu)、及び高濃縮ウラン(HEU)のような核***燃料を、同様に使用してもよい。その結果、LIFE機関は、安全で持続可能な手法で世界の電力要求を満たすことができ、同時に、劣化ウラン、使用済核燃料及び余剰兵器物質の、米国及び世界の保有量を著しく減らすことができる。
2.プラントレイアウト
図1及び図2は、高速点火構造、すなわち、高速点火を用いて機関を働かせる核融合反応を起す構造で実施された場合のLIFE機関を示している。(代替実施例が図5に描かれているが、そこではLIFEチャンバーが中心ホットスポット点火の核融合工程を支持するように構成されている。)
典型的LIFE発電プラント10を図1に示す。LIFE発電プラント10は、中性子増倍ブランケットと未臨界核***ブランケットの両方に囲まれた核融合・核***ターゲットチャンバー15内でターゲットの核融合反応を開始させるために、10〜20Hzのダイオード励起固体レーザー(DPSSL)バンク12を有することが望ましい。プラント10は、レーザー用のターゲットを生産する核融合ターゲット製造装置16、及び、例えば、熱交換器、制御室、蒸気タービン発電機、及び予備チャンバー等の、バランスオブプラント(balance of plant)18を備える。LIFEプラントの構成要素を、以下に更に詳しく説明する。
3.チャンバー
図3は、高速点火核融合チャンバー30の図であり、レーザー圧縮ビーム32と、点火ビーム33、核融合ターゲット31、チャンバーを取り囲む核***ブランケット35を示している。球状のチャンバー構造が、交換時まで、核***燃料35の均一な照射、及び予備チャンバー壁34に対する均一な放射線損傷を可能にし、材料の利用を最大化できる。酸化物分散強化されたフェライト鋼を用いて、タングステンまたは炭化タングステンの防御装甲からなる固体第一壁を有する、球状の機関チャンバーを構成することが望ましい。このような鋼は、中性子衝撃による格子場所からの変位に対する感度が少ない。チャンバーには中性子減速材及び中性子増倍材としてのベリリウムまたは鉛の層が含まれる。(チャンバー壁の構造は以下に詳しく説明する。)例えば、フリーベ(flibe)(2LiF+BeF2)またはフリナック(flinak)(LiF+NaF+KF)を用いた半径流式高温リチウム含有冷却材システムは、複数の入口ポート36、37及び図示されていない他の入口ポート、及び出口ポート38を含んでいる。冷却材が、機関の核***ブランケットから熱を除去し、その熱をブレイトンエネルギー変換システムに輸送する。冷却システムについては以下に更に詳しく説明する。ターゲット追跡及びレーザー発射システムを備え、また、空洞材料のリサイクルシステムを備えた高速核融合ターゲット製造注入システムによって、要望通りにターゲットがチャンバーに導入される。これについても以下に更に詳しく説明する。
4.第一壁
上述したように、ある実行例では、チャンバーの第一壁が、約500ミクロンのタングステンでコーティングされた酸化物分散強化フェライト鋼で構成される。代わりにバナジウム及びモリブデンコーティングを使用してもよい。タングステンはチャンバー内で生産されるよりいっそう高い熱負荷で研究されたが、約1800°Kの百万の高温パルスでさえ、応力を和らげる亀裂を生じたけれども、基盤に伝播はしなかった。これで下層のフェライト鋼が保護される。タングステンは、様々な技術、例えば、高速酸素燃料溶射法(HVOF)を用いて壁に適用できる。もちろん、炭化タングステンなど、その他の材料を使用してもよく、材料をプラズマ蒸着、爆着、またはその他の方法を用いて壁に適用することができる。
5.チャンバー冷却システム
図6はチャンバー冷却システムを示す図である。そこに示されたように、フリーベが、実質的に球状のチャンバーの周りに一定間隔で配列された約24個の大型ポート50を通して注入される。このポート数は、等方的な冷却流動場及び低い受動的流動インピーダンスを確保し、5m/s未満の最大フリーベ注入速度により侵食を避けるためである。冷却材が、球状チャンバー表面の周りに分布させるためにフリーベ注入プレナム(図4を参照)に流入する。プレナムの内壁41は固体であるが、プレナムの外壁42は多孔質であり、フリーベがベリリウム微小球、別の多孔質壁、燃料粒子(微小球または球体)を通って流出できるようになっている。図6の挿入図に示されたように、フリーベは、入り組んだ通路を通るが、燃料粒子の集塊を通過しながら熱を奪い、最終的に外側の多孔質壁に到達する。そして、その後、抽出プレナムに流入する。図6に示すように、抽出プレナムは、加熱された冷却材が排出される冷却材排出ポート38に連結されている。フリーベの半径流がベリリウム及び燃料粒子を冷却し、以下に説明するように、フリーベは、その熱を機関から熱交換器に輸送する。
Li−Pb第一壁冷却材の入口ポート52及び出口ポート53も、図6に示される。Li−Pb冷却材は、第一壁を強制的に横断させられ、再放射イオン及び沈着したX線パワーから熱を除去する。Li−Pbは、約260℃の温度、約4.5m/sの速度、約4MT/sの質量流量で流入する。流れの中間点、すなわち、出口ポート53までの中間地点で、Li−Pbは、温度が約355℃及び速度が1m/sに達する。出口ポートに到達すると、流量面積が狭まるため、再び約4.5m/sの速度に達する。冷却材は約450℃と大幅に熱くなり、約30kW/m2/Kが取り除かれる。
6.核***燃料
機関で使用される核***燃料は、複数の形状のうちどれでもよい。3つの異なる形状を以下に説明する。図12に示された第1の形状は、黒鉛か類似の不活性基質に埋め込まれた直径2mmの三重被覆(TRISO)燃料ペレットを含んでいる直径約2cmの微小球である。図13に示された第2の形状は、多孔質の炭素コアと犠牲炭化シリコンを有する固体中空コア球体と呼ばれるものである。代わりに、内部に溶解されたUF4またはThF4を有する液体溶融塩ベース燃料を使用してもよい。これらの燃料形状をそれぞれ次に説明する。
7.分割核***燃料ブランケット
いくつかの補足的な方法が、LIFE機関の性能を調整に使用できる。図15は、LIFE機関の運転継続期間を通しての燃料燃焼の調節を示している。燃料ブランケット(図4の領域5)を分割することによって微小球の寿命を制御し、TRISO粒子の核***燃料または固体中空コア燃料の燃焼がさらに細かく制御できるようになる。図15に示すように、核***ブランケット141、142及び143の異なる各領域は、中心に位置するターゲットから発する異なる中性子束に曝される。ターゲットに一番近い層が完全に燃焼するにつれ、続く層が昇格されて新しい燃料がブランケットの背後に加えられる。これで、少なくとも、燃料補給のために運転を一時停止する必要性という観点において、機関は無期限に運転できる。TRISOサイズの物体のブランケットに関する実験で、微小球は、ブランケットを横切る間、チャンバーの中心に向かう動き、またはチャンバーから離れる動きを余り起こさないことが分かった。言い換えると、微小球層は層を成したままであった。細かい制御が望まれる場合は、少量の構造を、微小球の基本的に層を成した構造を維持するためにチャンバー壁に追加することができる。微小球を異なる深度で注入し異なる中性子環境にさらすことによって、分割ブランケットによる核燃焼の調節が可能になる。これを図15に概略的に示している。
8.ターゲット
図22は、核融合ターゲットの燃料部分である燃料カプセルを示している。カプセル190は、アブレータ層192、及びカプセル190の壁上に冷却凝固した約0.3mgの液体または固体重水素・トリチウムでできた内部層193を含んでいる。カプセルの中心はDTガス195で充填されている。カプセル190の外部寸法は、直径が約2ミリメートルである。図22に示すように、カプセルのアブレータ部分は、射出成形などの様々な異なる方法で製造することができる。射出成形では、ホッパーの未加工プラスチックが、例えば、スクリューモータ駆動を備える機械内に供給され、ヒーターを通過する。ヒーターは、プラスチックを溶融し、球状カプセルの片半球を製造する型にそれを注入できるようにする。もちろん、型自体は一回の作業で数千のカプセルを製造できる。一実行例では、1000×1000配列のカプセル半球が射出され、よって1つの型あたり100万個の半カプセルを作り出す。その後、この配列は別の同様な配列に連結して、一作業あたり100万個のカプセルを作る。重水素・トリチウムの適切な空気の中で2つの配列を結合することにより、カプセルは、事実上望みの同位元素で予め充填されたことになる。溶媒を使用して、2つの配列を結合した後に残ったつなぎ目を取り除くことができる。もし、カプセルが透過性プラスチックで製造された場合は、代わりに液体重水素・トリチウム溶液に浸してDTがカプセル壁を浸透してカプセルに充填するようにしてもよい。
9.レーザー構造
2つの方法、すなわち、中心ホットスポット点火及び高速点火を、LIFE機関の核融合の部分に関して、以上に大まかに説明した。下の表は、これら2つの方法のレーザーシステムを比較するものである。
10.結論
ここに説明したレーザー慣性閉じ込め核融合・核***機関は、核融合中性子を増倍し減速させるためにベリリウムを用いている。これらの中性子は、半径流の溶融塩によって冷却される核***性燃料のブランケットを通過する。中性子のいくらかが冷却材のリチウムと反応してトリチウムを生産する。このトリチウムは、核融合反応のためにターゲットに供給するために使用される。燃料ブランケットの分割、分配されたトリチウムインベントリー、及び燃料対減速材比率を変える時間が、性能を向上させ、機関運転の継続期間に渡って基本的に一定した出力を提供する。これらの工程が生じる間も、機関は全構造で未臨界に留まる。
Claims (14)
- 中性子の核融合源を有するチャンバーと、
前記チャンバーの少なくとも一部を取り囲む材料を含んでおり、前記核融合源からの中性子が前記材料を異なる原子量の要素に変換するために前記材料内に導入される燃料領域と、
前記材料から熱を取り出すために前記材料と結合する冷却材とを備え、
前記材料が前記燃料領域に導かれ、そして、より高い原子番号要素に前記材料を増殖するために前記材料が中性子と衝突し、それから、前記高い原子番号要素をより低い原子番号要素へと核***する間、前記材料が前記燃料領域内に残存することを特徴とする核融合・核***機関。 - 中性子の核融合源を有するチャンバーと、
前記チャンバーの少なくとも一部を取り囲む材料を含んでおり、前記核融合源からの中性子がトリチウムを生成するために前記材料内に導入される燃料領域と、
ある時に前記燃料領域からトリチウムを除去し、別のある時に前記燃料領域にトリチウムを加えることによってトリチウムの量を制御するために、前記チャンバーに連結されたシステムとを備えたことを特徴とする核融合・核***機関。 - 中性子の核融合源を有する実質的に球状のチャンバーと、
前記チャンバーの少なくとも一部を取り囲む材料を含んでおり、前記核融合源からの中性子が前記材料を異なる原子量の要素に変化させるために前記材料内に導入される燃料領域と、
前記材料から熱を取り出すために前記燃料領域を循環する液体冷却材であって、前記中性子源と前記燃料領域の間に配置された第1プレナム領域を通して導かれ、前記燃料領域の前記核融合源から反対側に配置された第2プレナムによって前記燃料領域から取り除かれ、前記燃料領域を通して流れる前記液体冷却材とを備えたことを特徴とする核融合・核***機関。 - 中性子の核融合源を有する実質的に球状のチャンバーと、
前記チャンバーの少なくとも一部を取り囲む材料の分離構成単位内に形成された燃料を含んでいる燃料領域と、
前記材料の前記分離構成単位から熱を取り出すために前記燃料領域を通して循環する液体冷却材と、
前記燃料領域を通しての前記液体冷却材の循環が中断された場合において前記チャンバーから前記材料の前記分離構成単位を受け取るために前記チャンバーに連結されたダンプタンクを含む安全システムと、
前記ダンプタンク内の前記材料の前記分離構成単位を冷却するための前記ダンプタンクに連結された対流冷却システムと、
前記ダンプタンクから前記材料の前記分離構成単位を取り除くための前記ダンプタンクへの接続部とを備えたことを特徴とする核融合・核***機関。 - 核融合反応を起すために圧縮されて加熱される材料を収納するカプセルを受け入れるチャンバーと、
前記チャンバーの少なくとも一部を取り囲む材料を含んでおり、前記核融合反応からの中性子が前記材料内に導かれてそれを異なる原子量の要素に変換する燃料領域と、
前記カプセルを受け入れる前記チャンバーの所望領域に集束された複数のビームラインを有するレーザーシステムとを備え、
前記レーザーシステムが、前記レーザービームの周波数を変換する、それぞれの前記ビームライン内のガス冷却式周波数変換器、及び前記レーザービームをある通路から異なる通路へと切り換える、それぞれの前記ビームライン内のガス冷却式光学スイッチを有することを特徴とする核融合・核***機関。 - 実質的に中心に中性子の核融合源を有する略球状のチャンバーと、
前記核融合源からの前記中性子による損傷に対して抵抗がある金属で構成された第一壁と、
前記第一壁の後ろに配置され、第1の冷却材で前記第一壁を冷却する第1の冷却材領域と、
前記第1の冷却材領域の後ろに配置され、前記機関の所望の追加層に第2の冷却材を導く冷却材プレナムと、
前記冷却材プレナムの後ろに配置され、中性子増倍を提供する材料を含み、第2の冷却材を受け取る中性子減速層と、
前記中性子減速層の後ろに配置され、材料を異なる原子量の要素に変換するために前記核融合源からの中性子を導入する前記材料を含んでおり、前記第2の冷却材を受け取る燃料領域と、
前記燃料領域の後ろに配置され、中性子の通路を制限する中性子反射層とを備え、
前記材料は前記燃料領域に導入され、中性子と衝突する間、前記燃料領域内に残存することを特徴とする核融合・核***機関。 - 中性子の核融合源を提供する材料を含むターゲットを受け入れるチャンバーと、
前記チャンバーの少なくとも一部を取り囲む材料を含んでおり、前記核融合源からの中性子が前記材料に導入されてこの材料を異なる原子量の要素に変換する燃料領域と、
前記材料と結合され、そこから熱を受け取る冷却材と、
前記冷却材を受け取るために接続され、そこから熱を受け取る熱交換器と、
前記熱交換器からの熱を電気エネルギーに変換する発電機とを備えたことを特徴とする核融合・核***発電プラント。 - 前記チャンバーのターゲットを製造するターゲット製造施設をさらに有する請求項7に記載の核融合・核***発電プラント。
- 中性子の核融合源を有するチャンバーと、
前記チャンバーの少なくとも一部を取り囲む材料を含んでおり、前記核融合源からの中性子が前記材料に導入されてそれを異なる原子量の要素に変換する燃料領域と、
前記材料を通して循環してそこから熱を取り出すリチウムベースの冷却材と、
前記リチウムベースの冷却材が電力生成のためにそこから熱を取り出すために循環する熱交換器と、
前記リチウムベースの冷却材を補給し、6Li冷却材及び7Li冷却材の両方を特定の比率で提供し、電力を制御できるその比率を変える冷却材補給システムとを備えたことを特徴とする核融合・核***機関。 - 中性子の核融合源を有するチャンバーと、
前記チャンバーの少なくとも一部を取り囲む分離された微小球形状の燃料を含んでおり、前記核融合源からの中性子が材料内に導入されてそれを異なる原子量の要素に変換する燃料領域と、
前記材料と結合してそこから熱を取り出す冷却材とを備え、
燃料材料の燃焼を制御するために、前記燃料が、前記分離された微小球を前記分離された中性子源に近付けて、または前記分離された微小球を前記分離された中性子源から離して位置させるために制御された方法で燃料領域を通して循環されることを特徴とする核融合・核***機関。 - 中性子の核融合源を有するチャンバーと、
前記核融合源からの前記中性子による損傷に対して抵抗がある金属で構成される第一壁と、
前記第一壁の後ろに配置され、前記機関の所望の追加層に第1の冷却材を導入する第1の冷却材プレナムと、
制御された方法で前記機関を通して循環する第1の材料の分離された微小球で構成された中性子減速層と、
前記中性子減速層の後ろに配置され、第2の材料の分離された微小球で構成され、前記核融合源からの中性子が前記第2の材料内に導入されてそれを異なる原子量の要素に変換する燃料領域と、
前記燃料領域の後ろに配置され、前記第1の冷却材を受け取ってそれを熱交換器に移送する第2の冷却材プレナムとを備えたことを特徴とする核融合・核***機関。 - 中性子の核融合源としてターゲットを受け入れるチャンバーと、
前記チャンバーの少なくとも一部を取り囲む材料を含んでおり、前記核融合源からの中性子が前記材料内に導入されてそれを異なる原子量の要素に変換する燃料領域とを備え、
前記ターゲットが、重水素及びトリチウムの両方を収納するカプセル部分、及び前記カプセルを取り囲む空洞部分を含み、さらに、前記機関が、前記カプセル部分内で前記重水素及び前記トリチウムを融合させてヘリウムを形成するために前記空洞に十分なエネルギーを加えるレーザーシステムを含んでいることを特徴とする核融合・核***機関。 - 中性子の核融合源を有するチャンバーと、
天然ウラン、劣化ウラン、濃縮ウラン、トリウム、使用済核燃料、及び兵器級プルトニウムの少なくとも1つを含んでおり、前記核融合源からの中性子が前記燃料領域に導入されて実質的に全ての前記燃料をより低い原子量の要素に最終的に変換する燃料領域とを備えたことを特徴とする核融合・核***機関。 - 中性子の核融合源を有する実質的に球状のチャンバーと、
前記チャンバーの少なくとも一部を取り囲んでおり、燃料材料の分離構成単位に形成された燃料、及び中性子減速材料の分離構成単位に形成された中性子減速材料を含む燃料領域と、
前記燃料領域を通して循環してそこから熱を取り出す液体冷却材と、
前記燃料材料の前記分離構成単位及び前記中性子減速材料の前記分離構成単位のそれぞれの数を制御し、それによって前記燃料領域内の燃料対減速材比を制御する制御システムとを備えたことを特徴とする核融合・核***機関。
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