高電圧 高圧力 直接印加型 核融合方式
/ High voltage electric high pressure direct applying fusion
/ Thunderbolt nuclear fusion
深田 博幸
Japanese patent pending (Proof) 2021/6/16 特願2021-099872
特願2021-099872 (Proof) 提出日:令和 3年 6月16日
高電圧 高圧力 直接印加型 核融合方式 / High voltage electric high pressure
direct applying fusion / Thunderbolt nuclear fusion
はじめに
物質はエネルギーである。
E=mc2
https://www.thatsmags.com/beijing/post/7530/history-of-the-hai-when-albert-einstein-came-to-shanghai
何ができるの？～結論～
核融合の反応効率を高める、全く新たな方式
→今、枯渇する化石燃料代替エネルギーの最有力候補は核融合
→しかし、現在の核融合方式は、エネルギー生産効率が低い
→そこで、燃料密度を数億倍、エネルギー変換箇所を削減
☆これにより、効率的で実用的な核融合エネルギーを実現！☆
社会的な課題…持続可能性？
石油などの化石燃料は有限。
石油の「可採年数」は、あと喫緊の数十年分しかない。
またウランなどの核分裂燃料も、100年分程しかない。
そこで…
持続可能性の観点から、重水素等の核融合エネルギーは、有力な候補。
然し、、、既存の核融合炉はエネルギーの効率的な回収が難しい？？？
核融合の基本
核融合の基本は、原子核を衝突させることである。�それに必要なのは、クーロン斥力、核力を超越して、原子核を衝突させるのに充分なエネルギーであり、それを実現する方法は多数ある。
陽子-陽子連鎖反応(p-p chain) CNOサイクル(CNO cycle)
And any others…
https://en.wikipedia.org/wiki/Proton%E2%80%93proton_chain#/media/File:Fusion_in_the_Sun.svg
https://en.wikipedia.org/wiki/CNO_cycle#/media/File:CNO_Cycle.svg
既存の核融合方式
熱核融合：熱をエネルギー源とする熱核融合は、原子のブラウン運動
凝縮核融合：金属水素化物内で超高圧状を保ち、熱による運動衝突
バブル核融合：超音波で発生したキャビテーションの破裂、凝縮衝突
焦電核融合：焦電性結晶の静電場でイオンを加速し金属水素化物衝突
フューザー：水素同位体ガスに対して放電し、衝突 etc.…
And any others…
熱核融合 凝縮核融合 バブル核融合 焦電核融合 フューザー
https://makezine.com/projects/nuclear-fusor/
https://www.nature.com/articles/nature03575
https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1209/1209.2407.pdf
http://www.human-resonance.org/deuterium-helium.html
https://makezine.com/projects/nuclear-fusor/
既存の核融合方式の課題
しかし…
重水素などのエネルギー要求量の”小さい”原子しか対応できていない。～ローソン条件は重水素燃料を想定した値。
�炭素や窒素、他、重水素よりも大きな原子はエネルギー要求量が高い。
そこで、幾つかのヒントから…
実現へのヒント～その１
雷によって、窒素(N)同位体が、反物質である陽電子と電子ニュートリノを放出し、この反物質の陽電子が電子と対消滅する際に、ガンマ線を 発生する。 ※��これはCNO サイクルという核融合反応の5番目に発生する反応と等価。�ガンマ線源もCNOサイクルの範囲で発生。��つまりこれらは、重水素よりもエネルギー要求量の高い核融合反応が、�雷の電力により発生していると云うエビデンスとなる。�※ 雷が反物質の雲をつくる!?雷の原子核反応を陽電子と中性子で解明�榎戸輝揚 京都大学白眉センター特定准教授、和田有希 東京大学大学院理学系研究科博士課程学生 (理化学研究所仁科加速器研究センター)、古田禄大 同博士課程学生、湯浅孝行 博士 (元理化学研究所)、中澤知洋 東京大学大学院理学系研究科講師、土屋晴文日本原子力研究開発機構研究副主幹、佐藤光輝 北海道大学大学院理学研究院講師�https://www.jaea.go.jp/02/press2017/p17112301/
雷によって、窒素(N)同位体が、反物質である陽電子と電子ニュートリノを放出し、この反物質の陽電子が電子と対消滅する際に、ガンマ線を 発生する。 ※��これはCNO サイクルという核融合反応の5番目に発生する反応と等価。�ガンマ線源もCNOサイクルの範囲で発生。��つまりこれらは、重水素よりもエネルギー要求量の高い核融合反応が、�雷の電力により発生していると云うエビデンスとなる。�※ 雷が反物質の雲をつくる!?雷の原子核反応を陽電子と中性子で解明�榎戸輝揚 京都大学白眉センター特定准教授、和田有希 東京大学大学院理学系研究科博士課程学生 (理化学研究所仁科加速器研究センター)、古田禄大 同博士課程学生、湯浅孝行 博士 (元理化学研究所)、中澤知洋 東京大学大学院理学系研究科講師、土屋晴文日本原子力研究開発機構研究副主幹、佐藤光輝 北海道大学大学院理学研究院講師�https://www.jaea.go.jp/02/press2017/p17112301/
雷によって、窒素(N)同位体が、反物質である陽電子と電子ニュートリノを放出し、この反物質の陽電子が電子と対消滅する際に、ガンマ線を 発生する。 ※��これはCNO サイクルという核融合反応の5番目に発生する反応と等価。�ガンマ線源もCNOサイクルの範囲で発生。��つまりこれらは、重水素よりもエネルギー要求量の高い核融合反応が、�雷の電力により発生していると云うエビデンスとなる。�※ 雷が反物質の雲をつくる!?雷の原子核反応を陽電子と中性子で解明�榎戸輝揚 京都大学白眉センター特定准教授、和田有希 東京大学大学院理学系研究科博士課程学生 (理化学研究所仁科加速器研究センター)、古田禄大 同博士課程学生、湯浅孝行 博士 (元理化学研究所)、中澤知洋 東京大学大学院理学系研究科講師、土屋晴文日本原子力研究開発機構研究副主幹、佐藤光輝 北海道大学大学院理学研究院講師�https://www.jaea.go.jp/02/press2017/p17112301/
実現へのヒント～その１～アイディア!
しかし…�雷は空気中、水中の環境における非効率な核融合反応。
良い条件、環境にすることで、効率的に核融合反応を誘起？！
そこで…
プラズマと固体・液体燃料の違い
トカマク型などのプラズマの衝突 固体・液体燃料内での衝突
Plasma /プラズマ
Heat Brownian motion
/熱ブラウン運動
Collision/衝突
e/電子
Fusion fuel
/核融合燃料
熱ブラウン運動で離散した
原子核が衝突する確率は低い
原子核密度が高い状態でエネルギー変換し
原子核が衝突する確率が高い
Collision/衝突
実現へのヒント～その2
物理学的には、1個の電子(e)に、1ボルト(V)を印加した際の �1 eV (電子ボルト)は、約1万度の温度に相当するエネルギー
1 eV(電子ボルト) = 1.602x10^-19 J(ジュール)、ボルツマン定数 : k = 1.381x10^-23 J/K (J/ケルビン)と定義されている。これをエネルギーkTと対応付けて 、k = 1.381x10^-23 J/K 、1.381x10^-23 T = 1.602x10^-19 �i.e., T = 1.602x10^-19 / 1.381x10^-23 = 11,600 K(ケルビン)
実現へのヒント～その2～アイディア!
1万ボルトは約1億度に”相当” (代表的なローソン条件の1億度に相当)�100万ボルトは約100億度”相当”(重水素のエネルギー要求量の約100倍)��数万ボルトはガソリン車のスパークプラグの電圧と同等�～安価に実装可能
1000万ボルト程度を発生、制御する装置も、�雷強電試験装置や他で既に実用化されている。
つまり…
これらの応用で、エネルギー要求レベルの高い原子の核融合も可能！
i.e., 炭素(C)、窒素(N)、酸素(O)、水素(H)などの核融合が可能！
1万ボルトは約1億度に”相当” (代表的なローソン条件の1億度に相当)�100万ボルトは約100億度”相当”(重水素のエネルギー要求量の約100倍)��数万ボルトはガソリン車のスパークプラグの電圧と同等�～安価に実装可能
1000万ボルト程度を発生、制御する装置も、�雷強電試験装置や他で既に実用化されている。
つまり…
これらの応用で、エネルギー要求レベルの高い原子の核融合も可能！
i.e., 炭素(C)、窒素(N)、酸素(O)、水素(H)などの核融合が可能！
1万ボルトは約1億度に”相当” (代表的なローソン条件の1億度に相当)�100万ボルトは約100億度”相当”(重水素のエネルギー要求量の約100倍)��数万ボルトはガソリン車のスパークプラグの電圧と同等�～安価に実装可能
1000万ボルト程度を発生、制御する装置も、�雷強電試験装置や他で既に実用化されている。
つまり…
これらの応用で、エネルギー要求レベルの高い原子の核融合も可能！
i.e., 炭素(C)、窒素(N)、酸素(O)、水素(H)などの核融合が可能！
ex. 炭素の反応への要求エネルギー : 50KeV 及び、2×10^8 kg/m3 = 200 kg/cm3
これらの応用で、エネルギー要求レベルの高い原子の核融合も可能！
i.e., 炭素(C)、窒素(N)、酸素(O)、水素(H)などの核融合が可能！
これらの応用で、エネルギー要求レベルの高い原子の核融合も可能！
i.e., 炭素(C)、窒素(N)、酸素(O)、水素(H)などの核融合が可能！
実現へのヒント～その3
但し…
自由電子や、電子の運動ベクトルが同方向の流れではエネルギー�は発生せず、衝突や偏向した時のみ、エネルギーとして成立する
…処がブレークスルー
実現へのヒント～その3～アイディア!
絶縁体 には自由電子が無い。�➡ 絶縁破壊電圧を印加すると、電子により原子の衝突電離が発生。�➡ 絶縁体内で、電子雪崩が発生し、エネルギーが発生。�➡ 絶縁体内で、場合によっては量子トンネル効果により原子が衝突。�➡ 絶縁体内で、エネルギー保存則に則り、高エネルギー状態を生成。�➡ クーロン斥力を超えるエネルギーを印加する。�➡ 絶縁体内で、電離した原子核の衝突が発生。��i.e., 絶縁体に絶縁破壊電圧を印加することで、核融合反応を誘起する。
絶縁体と導体の違い
導体への電子の働き 絶縁体への電子の働き
Collision/衝突
e/電子
Electric insulator ・Resistance
/絶縁体・高抵抗体
Pass through
/通過
e/電子
Conductor
/導体
自由電子は通過し
エネルギーが発生しない
高抵抗体と衝突時に
エネルギーが発生する
実現へのヒント～その4
中性子発生装置や重粒子発生装置などのエネルギー変換効率が１％程度�レーザービーム発振器のエネルギー変換効率は、改善されつつあるも…��エネルギー出力が不足し、且つ、ロスが多大�～数十台、数百台と並べている�
➡ エネルギーの絶対量の不足、装置の出力制限のボトルネック、� エネルギー変換のロスが発生するポイントと云う課題に着目？！
粒子線(含レーザー)と電子の違い
粒子線を容器内の燃料に照射 電気=電子を容器内の燃料に印加
熱ではなく電気がエネルギー源なので
壁が溶けず圧縮が強く、エネルギー効率も高い
e/電子
Fusion fuel
/核融合燃料
Cathode
/電極
容器壁を介してエネルギーを伝えるので
壁が熱で溶け圧縮が弱く、熱効率も低い
Pellet wall
/容器壁
Fermion・Boson beam
/粒子線・レーザー光
Fusion fuel
/核融合燃料
Pellet wall
/容器壁
Anode
/電極
実現へのヒント～その4～アイディア!
中性子発生などを燃料内で起こすことができれば？！
�➡ ビームなどにエネルギー変換が不要。� ◆ エネルギー変換のロスが発生するポイントを削減。
➡ 発振器やコイルの発熱などによる出力制限がなくなる。� ◆ 印加するエネルギー絶対量のボトルネックが減る。
➡ 電力から燃料で直接エネルギー変換� ◆ ロスによる各種エネルギー放散は、他原子のエネルギー源に。
i.e., 効率的に核融合反応を誘起することができる？！
実現へのヒント～その5
核融合積では、原子密度が重要。。。なのに、、、�ローソン条件を目指した核融合反応は、真空に近い炉内で反応？！
➡ 原子密度が低いので、核融合積により、より高い温度エネルギーが必要。�➡ 真空の炉中では、真空断熱により、熱の回収が困難。�➡ 発生する熱中性子を捕獲し、熱エネルギーの回収するも非効率。
�１億度の温度では、隔壁も何もかも全て、気体プラズマ化してしまう
➡ プラズマ化しては、熱交換も圧縮もできない。�➡ 電磁力でイオンプラズマを凝集…しているが…。
エネルギー源が、熱ではなく、電力であれば、�隔壁と燃料はエネルギー状態を分離できる？！
実現へのヒント～その5～アイディア!
隔壁には電力(電子)を印加する必要はない？！�電力を印加した部分だけ、局所的に超高エネルギー状態を生成
➡ 燃料と、隔壁や電極は熱的に別個の状態�➡ 隔壁や電極などは熱交換による熱管理により固体の状態を維持�➡ 固体の隔壁や電極による機械的加圧�➡ 高エネルギー化に伴う固体、液体からの爆発的体積拡大�➡ 機械的加圧による爆縮の効果による高圧状態の生成
i.e., 原子の超高エネルギー状態におけるの高密度化が可能となる。��～原子密度はローソン条件の約2.23億倍 ～「液体」重水素の場合�～固体、液体の体積の維持(加圧)により、爆縮と同様の効果を得る。
核融合燃料の要件
物理学的には
～例えば「デロリアンのバナナの皮」なども想定の範囲内。� 然しCNOサイクルなどで明確化しているもの以外は…？
https://twitter.com/dj_link/status/1158665538064850945
https://serinaishii.hatenablog.com/entry/2015/10/21/Back_to_the_Future_part2%E3%81%AE%E6%9C%AA%E6%9D%A5%EF%BC%81%E9%81%82%E3%81%AB2015%E5%B9%B410%E6%9C%8821%E6%97%A5%E3%81%8C%E3%82%84%E3%81%A3%E3%81%A6%E3%81%8D%E3%81%9F%EF%BC%81%EF%BC%81%EF%BC%9A
隔壁の要件
隔壁や電極と、燃料はエネルギー状態において独立している。
➡ 温度管理(熱交換等)により、隔壁や電極を固体に保つことが可能。�➡ 固体、液体の燃料を、固体(条件的に液体)の隔壁で機械的に圧縮。
隔壁の要件
➡ 隔壁には、核融合燃料よりも電気抵抗率が高い物質を使用する。�➡ 隔壁には、耐熱性が高い物質を使用する。�➡ 物質そのものが燃料となりえる素材。�➡ これらの性質の素材を重層、複合した構造で使用可能である。
石英ガラス(SiO2)系、磁器セラミック系、ポリエチレン系、ポリスチレン系、テフロン系、酸化ハフニウム系、その他
電極の要件
電極の素材の要件
導電体の素材の要件
イリジウム、タングステン、モリブデン、また条件付きでグラファイトや銅など。
熱交換の要件
トカマク型、ヘリカル型などの磁場閉じ込め型などでのエネルギーの回収は、真空断熱効果により困難を来し、発生した熱中性子などから間接的に回収可能だが、核融合で生じたエネルギーの極一部であり、エネルギー回収は構造的に困難。
時間の要件
電力装置の性能に余裕があるので、
エネルギー量の調整
原子1個あたりで必要な、及び、発生するエネルギー量は微小。�反応の種類によって、数百KeVから数MeV。
然し、原子の数を1 mol (6.02x10^+23)として掛け算すると�約6,020該 倍 = 60,200,000京 倍 = 602,000,000,000兆 倍�の膨大なエネルギー量となる。��固体、液体状態の燃料の量を調整することで、反応量を調整可能とし、核融合反応によるエネルギーの発生量を、必要充分にコントロールすることで、多様なアプリケーションに利用することができる。
核融合のエネルギーは？重水素は？
約1グラムの重水素から、理想的に約1グラムのヘリウムを生成した時、約8000リットルの石油を燃焼するのに相当するエネルギーを発生する。
重水素の資源量？
重水素は、天然水の約0.015％(約7000分の1)存在しており、地球全体の海水などの量を勘案すると、ほぼ無尽蔵にあるとされている。
現在の発電量を基準にして約1万年分との試算もある。��然し、現在の発電ペースで、重水素が1万年分としても、EV(電気自動車)等のエネルギー消費量は膨大で、現在の石油代替を全て電力で賄うと 仮定すると、現在の100倍以上の電力が必要…１万年分/100≒100年分
i.e., 重水素も…無尽蔵なエネルギー源ではなくなる。
更なる持続可能性を求めて
要求エネルギー量の大きな原子の核融合までも可能にする、
正に無尽蔵のエネルギー源を得る方法について、思量した。
従来方式の核融合における課題
ITER始め、各国のトカマク型やヘリカル型、応用型等の核融合方式は…
投入したエネルギー量を回収するには、原理的に不十分 ～ ローソン条件��超高温 (１億度) … 巨大電子レンジと巨大冷凍機を数か月間
短時間 (１秒) … 数か月の電力で、数秒分の反応エネルギー
真空に近い (100兆個/cm3) … 密度は1気圧大気の26.8万分の1
密度は「液体」水素の2.23億分の1��膨大なエネルギーを使って、真空に近い量の燃料からエネルギー？
核融合積…反応の条件
「核融合積」と呼ばれる、温度、密度、時間を組み合わせた積が重要。
| 温度 | 時間 | 原子密度/圧力 |
ローソン条件 | １億度 | １秒 | 100兆個/cm3 |
太陽内部 | 約1600万度 | 継続 | 約2400 億気圧 |
水素爆弾 | 約200万度 | 数ミリ秒 | 固体爆縮 |
目標 | 数十億度 “相当” | 継続 / 断続 | 固体 / 液体 “加圧” |
燃料の再生産
重水素は貴重な資源である。
安全性について
SAFETY FIRST
要約書 ～ 本書を1文にまとめると…
本方式は、絶縁体、または高抵抗、半導体などの性質を持つ、固体、液体、及び反応中における高圧縮気体状の高密度な状態の、目的とする量に容易に調整可能とした、多様な核融合燃料に対して、充分な高電圧で電力、即ち、電子を印加、放電し、高エネルギーの状態を、瞬間的、または持続的に生成し、燃料を物理的な隔壁、または一部開領域における機械的な加圧、爆縮などを併せることで高密度の状態を生成し、電力、即ち（自由電子ではない）電子の原子に対する衝突により、原子に衝突電離を起こし、電離した原子核の衝突を促し、補助的に電磁波や光粒子などの照射を行い原子の振動を促し、核融合反応を誘起するものであり、その熱源を利用して多用途に適用するものである。
図面
産業上の利用可能性
(図１)基本構成図
(図２)熱交換式蒸気タービン
(図３)熱膨張直熱型タービン
(図４)直熱型タービンと熱交換式蒸気タービンのコンバインド動力方式
(図５)水中熱交換式熱膨張型推進装置
(図６)溶鉱炉
(図７)内燃機関／カルノーサイクル
(図８)汎用熱源
(図１)基本構成図
超高圧電源部(High voltage electric supply)、電力伝送路、隔壁(Barrier / Bullet)、陰極側電極(Cathode)、固体／液体核融合燃料(Solid/Liquid Fusion fuel)、陽極側電極(Anode)、冷媒(Coolant)、必要に応じてベンチレーター弁(Valve)、マイクロウェーブや光粒子ビームなどの補助的原子振動増進装置(Auxiliary Nucleus vibration accelerator)を有するシステムの概念図である。
(図２)熱交換式蒸気タービン ～発電、輸送機、動力、他
本方式における、応用の基本形として、核融合反応で発生した熱を、熱交換により水やその他の冷媒を使って、タービン(Turbine)の動力エネルギーに変換し、排気(Exhaust)を回収し、復水器(Steam condenser)などの冷却装置を通して冷却し、循環させるシステムの概念図である。タービンの出力は、発電機などに留まらず、各種輸送機や、その他の動力源として使用可能である。
(図３)熱膨張直熱型タービン ～ジェット推進、航空機他
本方式における、タービンの駆動方式として、コンプレッサーなどにより大気中より取り込んだ空気を冷媒として加熱し、空気の熱膨張を図り、更に燃料の熱膨張と熱源としての効果を併せて運動エネルギーとし、タービンを駆動するシステムの概念図である。タービンの回転運動出力は、発電機、各種輸送機などの動力として使用可能である。本方式では回転運動に留まらず、反応に伴う超高温、超高圧物質の噴射エネルギーを併せて、ジェット推力とし、各種輸送機の動力源なども想定される。
(図４)直熱型タービンと熱交換式蒸気タービンのコンバインド動力方式 ～ 発電、各種プラント、他
熱膨張直熱型タービンを駆動した後の、排熱を利用して水蒸気などを発生し、蒸気タービンなどを駆動することで熱効率を向上させるコンバインド方式の概念図である。蒸気タービンについては、本方式の提案と直接関係は無いが、直熱型タービンの方式の熱効率を上げるアプリケーションの一つとして提示する。
(図５)水中熱交換式熱膨張型推進装置 ～船舶、潜水艇他
本方式において、水中に反応炉を配置することで、冷媒を大量の水により熱交換を実現すると伴に、水の熱膨張を活用して、推力として使用する方式の概念図である。流入する水流を予め作り、反応熱の熱交換により熱膨張する水の放散方向を狭めることにより、水流を作り出し、船舶、潜水艇、その他の水流装置などの推力に使用することが想定される。
(図６)溶鉱炉 ～ 製鉄、金属溶融、化学プラント、他
本方式において、冷媒の形態を拡張し、金属などの溶融を行うための装置の、熱源として使用する方式の概念図である。溶融対象となる金属などについては、初期状態においては熱伝導率、及び熱交換量が不足することが想定されるので、起動時には補助的な熱源の使用が想定される。
(図７)内燃機関／カルノーサイクル ～自動車、船舶、他
本方式において、燃料の量、熱量を調整することにより、内燃機関として利用する方式の概念図である。図は、ピストン方式の内燃機関を提示しているが、ロータリー式なども含む。また図示はしないが、熱源のみで差動するカルノーサイクル、スターリングエンジン(Stirling engine)の熱源としての利用も想定される。
(図８)汎用熱源 ～ 熱を利用する全て
本方式において、熱源として利用される全ての用途に対する概念図である。産業用、家庭用などを問わず、給湯、冷暖房、調理、その他、熱源利用が必要な用途に対して、電力を介して行うもののほかに、熱源の直接利用も想定される。
まとめ
持続可能性の重要な課題
石油やウランがなくなった後、どうしていくか？
太陽電池や自然エネルギーベースでは、溶鉱炉などの稼働は困難。
石油代替エネルギーについては、知恵を絞っていかねばならない。
ps. 石油の年間取引金額は約1兆ドル、100兆円以上
To be continue
Hiroyuki FUKADA