特許 7519681 燃料ペレット、燃料ペレットの製造方法、核融合炉、及び核融合方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-11

(45)【発行日】2024-07-22

(54)【発明の名称】燃料ペレット、燃料ペレットの製造方法、核融合炉、及び核融合方法

(51)【国際特許分類】

   G21B 1/03 20060101AFI20240712BHJP

   G21B 1/19 20060101ALI20240712BHJP

   G21C 3/20 20060101ALI20240712BHJP

   G21C 3/28 20060101ALI20240712BHJP

   G21C 3/24 20060101ALI20240712BHJP

【ＦＩ】

G21B1/03

G21B1/19

G21C3/20 200

G21C3/28 100

G21C3/24

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2020202969

(22)【出願日】2020-12-07

(65)【公開番号】P2022090525

(43)【公開日】2022-06-17

【審査請求日】2023-09-11

(73)【特許権者】

【識別番号】504176911

【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】藤岡 慎介

(72)【発明者】

【氏名】長友 英夫

(72)【発明者】

【氏名】千▲徳▼ 靖彦

(72)【発明者】

【氏名】有川 安信

(72)【発明者】

【氏名】兒玉 了祐

(72)【発明者】

【氏名】山ノ井 航平

(72)【発明者】

【氏名】砂原 淳

(72)【発明者】

【氏名】疇地 宏

(72)【発明者】

【氏名】イ スンホ

(72)【発明者】

【氏名】余語 覚文

(72)【発明者】

【氏名】城崎 知至

【審査官】藤田 健

(56)【参考文献】

【文献】特開２００１－３３０６９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２４１４６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００８／０２５６８５０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１８－００９８９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－３３５１８７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ２１Ｂ １／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

核融合炉に連続射出する燃料ペレットの製造方法であって、
複数の球殻状の膜をチャンバ内に供給する供給ステップと、前記チャンバ内を減圧し、所定の真空度とする減圧ステップと、前記所定の真空度である前記チャンバ内において前記膜に核融合燃料を充填することにより複数の燃料ペレットを製造する充填ステップと、を含み、
前記燃料ペレットは、核融合燃料に対してレーザを照射することによって核融合反応を生じさせる慣性核融合に用いられる燃料ペレットであって、前記核融合燃料と、前記核融合燃料を内部に収容する球殻状の前記膜と、を備え、前記核融合燃料は、前記膜の中を、液体または固体の状態で満たしていることを特徴とする、燃料ペレットの製造方法。

【請求項2】

前記核融合燃料は液体であることを特徴とする請求項１に記載の燃料ペレットの製造方法。

【請求項3】

前記核融合燃料は固体であることを特徴とする請求項１に記載の燃料ペレットの製造方法。

【請求項4】

前記膜は、プラスチック製であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料ペレットの製造方法。

【請求項5】

前記燃料ペレットは、円錐形状を有し、前記円錐形状の底面側から頂点側へ前記レーザを誘導する誘導部材をさらに備え、
前記膜は貫通孔を有し、
前記誘導部材の前記円錐形状の頂点側が前記貫通孔に挿入されている、請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料ペレットの製造方法。

【請求項6】

核融合燃料にレーザを照射することによって核融合反応を生じさせる慣性核融合に用いられる燃料ペレットであって、
前記核融合燃料と、
複数の細孔を有し、当該細孔内に前記核融合燃料を収容する球状の発泡体と、を備え、
前記核融合燃料は、前記細孔の中を、液体または固体の状態で満たしており、前記発泡体は中実構造であることを特徴とする、燃料ペレット。

【請求項7】

請求項６に記載の燃料ペレットの製造方法であって、
複数の前記発泡体をチャンバ内に供給する供給ステップと、前記チャンバ内を減圧し、所定の真空度とする減圧ステップと、前記所定の真空度である前記チャンバ内において前記発泡体に前記核融合燃料を充填する充填ステップと、を含む燃料ペレットの製造方法。

【請求項8】

請求項６に記載の燃料ペレットを用いる核融合炉。

【請求項9】

請求項６に記載の燃料ペレットに爆縮レーザおよび加熱レーザを照射する核融合方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料ペレット、燃料ペレットの製造方法、核融合炉、及び核融合方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、核融合燃料にレーザを照射し核融合燃料の点火を生じさせるレーザ核融合が知られている。核融合燃料としては、典型的には、重水素三重水素混合物（以下、ＤＴと称する）が用いられる。このようなレーザ核融合の方法として、中心点火方式が提案されている。

【0003】

中心点火方式は、レーザ光を球殻状の燃料ペレットに当てることで燃料ペレットを爆縮し、中心部に核融合点火部（ホットスパーク）を形成し、燃料の点火および燃焼を生じさせる方法である。例えば、特許文献１には、１０ｐｓ未満のパルス持続時間及び１ペタワットを上回る電力を有する核融合レーザーパルスによって（中心点火方式により）核融合の火炎が生成される、発電方法及び核融合炉が開示されている。

【0004】

一方、１９９０年代に中心点火から発展し、高速点火手法が発明された。高速点火とは、中心点火と同じく燃料を爆縮したのちに、パルス幅が短く強度の高いレーザ等で燃料を加熱して点火および燃焼を生じさせる手法である。この手法ではホットスパークを別の熱源によって作るため、爆縮に対する技術的な要求が緩和される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１７－５１３０１８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上述のような中心点火方式のレーザ核融合を行うために、内部に燃料ガスを封入した球殻状の固体燃料層を有する燃料ペレットを製造する必要がある。すなわち、燃料ペレットは、中空構造をとる必要がある。

【0007】

また、中心点火方式では、燃料ペレットを球対称に爆縮する必要がある。そのため、固体燃料層の表面の凹凸は、ｎｍのオーダに抑え、固体燃料層の厚さのムラは、０．１％以下に抑える必要がある。さらに、ＤＴを固化させるためには、１８Ｋ以下に冷却する必要がある。そのため、核融合燃料としてＤＴを用いる場合、均質な厚さの固体ＤＴ層を形成するために非常にゆっくりとＤＴを固化させ、固体ＤＴの結晶を成長させていく技術が必要である。典型的に、ＤＴ燃料を充填し始めてから燃料ペレットを製造するまでに約２４時間の時間を要する。

【0008】

このように、従来の燃料ペレットの製造方法は、非常に高い製造精度を要求される。そのため、燃料ペレットを大量生産するのが困難であるといった問題がある。

【0009】

本発明の一態様は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、その目的は、大量生産が可能である燃料ペレット及び燃料ペレットの製造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る燃料ペレットは、核融合燃料に対してレーザを照射することによって核融合反応を生じさせる慣性核融合に用いられる燃料ペレットであって、前記核融合燃料と、前記核融合燃料を内部に収容し、球殻状の膜と、を備え、前記核融合燃料は、前記膜の中を、液体または固体の状態で満たしていることを特徴とする。

【0011】

また、前記核融合燃料は液体であってもよい。また、前記核融合燃料は固体であってもよい。また、前記膜は、プラスチック製であってもよい。

【0012】

また、前記燃料ペレットは、円錐形状を有し、前記円錐形状の底面側から頂点側へ前記レーザを誘導する誘導部材をさらに備え、前記膜は貫通孔を有し、前記誘導部材の前記円錐形状の頂点側が前記貫通孔に挿入されている構成であってもよい。

【0013】

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る燃料ペレットは、核融合燃料にレーザを照射することによって核融合反応を生じさせる慣性核融合に用いられる燃料ペレットであって、前記核融合燃料と、複数の細孔を有し、当該細孔内に前記核融合燃料を収容する球状の発泡体と、を備えることを特徴とする。

【0014】

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る燃料ペレットの製造方法は、複数の前記膜をチャンバ内に供給する供給ステップと、前記チャンバ内を減圧し、所定の真空度とする減圧ステップと、前記所定の真空度である前記チャンバ内において前記膜に前記核融合燃料を充填する充填ステップと、を含む。

【0015】

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る燃料ペレットの製造方法は、複数の前記発泡体をチャンバ内に供給する供給ステップと、前記チャンバ内を減圧し、所定の真空度とする減圧ステップと、前記所定の真空度である前記チャンバ内において前記発泡体に前記核融合燃料を充填する充填ステップと、を含む。

【0016】

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る核融合炉は、前記燃料ペレットを用いることを特徴とする。

【0017】

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る核融合方法は、前記燃料ペレットに爆縮レーザおよび加熱レーザを照射することを特徴とする。

【発明の効果】

【0018】

本発明の一態様によれば、大量生産が可能である燃料ペレット及び燃料ペレットの製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】中心点火方式による核融合燃料の点火方法を示す図である。

【図2】高速点火方式による核融合燃料の点火方法を示す図である。

【図3】本発明の一実施形態に係る燃料ペレットの模式断面図である。

【図4】上記燃料ペレットを用いた高速点火方式による核融合燃料の点火方法を示す図である。

【図5】上記燃料ペレットにレーザを照射する核融合炉の模式図である。

【図6】上記燃料ペレットの製造方法を示す工程図である。

【図7】供給ステップおよび減圧ステップにおける上記燃料ペレットの製造装置を示す模式図である。

【図8】充填ステップにおける上記燃料ペレットの製造装置を示す模式図である。

【図9】連続射出ステップにおける上記燃料ペレットの製造装置を示す模式図である。

【図10】本発明の他の実施形態に係る燃料ペレットの模式断面図である。

【図11】本発明のさらに他の実施形態に係る燃料ペレットの模式断面図である。

【図12】爆縮レーザの出力と上記核融合燃料の圧縮を示す値との関係を示すグラフである。

【図13】上記爆縮レーザのパルス波形を示す図である。

【図14】加熱レーザの各レーザ波長に対応する、核融合のエネルギー出力を示すグラフである。

【図15】上記加熱レーザの各レーザ波長に対応する、核融合反応のために要求される電子のエネルギーおよび加熱レーザの出力を示す表である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

〔実施形態１〕
（本発明の一態様の特徴点について）
図１は、中心点火方式による核融合燃料の点火方法を示す図である。図２は、高速点火方式による核融合燃料の点火方法を示す図である。図１および図２を参照し、中空構造の燃料ペレットを用いた、核融合燃料の点火方法を説明する。

【0021】

中心点火方式では、図１の符号１Ａに示すように、燃料ペレット１１０は、球殻状の固体燃料層１１１と、その外周上に設けられるアブレータ層１１２とを備える。また、固体燃料層１１１の内部には燃料ガス１１３が封入されている。アブレータ層１１２は、例えばプラスチック製のカプセルである。

【0022】

図１の符号１Ｂに示すように、このような燃料ペレット１１０に対して爆縮レーザ１１５を照射することによって、球状の固体燃料層１１１を球対称に圧縮する。具体的には、爆縮レーザ１１５の照射によりアブレータ層１１２は瞬時に高温のプラズマ１１２ａとなり、燃料ペレット１１０の外部方向に膨張する。このような外部方向への膨張により、固体燃料層１１１に対しては、その内部方向に向かう圧力が急激に加わる。すなわち、燃料ペレット１１０は爆縮される。

【0023】

図１の符号１Ｃに示すように、爆縮された固体燃料層１１１は、最大圧縮時において、圧縮前の数千倍の密度に圧縮され、主燃料部１１１ａとなる。また、燃料ガス１１３は固体燃料層１１１の圧縮により加熱され、ホットスパーク１１３ａを形成する。ホットスパーク１１３ａは、核融合反応が誘起され、中性子とα粒子とが生成される領域である。ホットスパーク１１３ａ内では、一部の燃料の核融合反応で生成されたα粒子により未反応の燃料が加熱され、核融合反応が促進される。すなわち、燃料ペレット１１０は点火する。

【0024】

図１の符号１Ｄに示すように、ホットスパーク１１３ａの核融合点火により、その周囲の主燃料部１１１ａもα粒子により加熱される。これにより、主燃料部１１１ａにおいても、核融合反応が急激に開始される。すなわち、燃料ペレット１１０は燃焼する。

【0025】

このような中心点火方式では、爆縮時において、主燃料部１１１ａとホットスパーク１１３ａとの界面に撹乱が生じる可能性がある。このような撹乱を抑制するため、中心点火方式では、固体燃料層１１１の圧縮の極めて高い一様性が要求される。具体的には、固体燃料層１１１の表面の凹凸は、ｎｍのオーダに抑えられる必要がある。また、固体燃料層１１１の厚さのムラは、０．１％以下に抑えられる必要がある。

【0026】

また、中心点火方式では、爆縮によってホットスパーク１１３ａを形成する必要がある。そのため、燃料ペレット１１０は、製造過程において、固体燃料層１１１の内部に燃料ガス１１３を封入する必要がある。すなわち、燃料ペレット１１０において、固体燃料層１１１がアブレータ層１１２の内部で中空構造をとる必要がある。

【0027】

一方、高速点火方式では、図２の符号２Ｃに示すように、主燃料部１１１ａに加熱レーザ１１６を照射して、主燃料部１１１ａの中央部にホットスパーク１１３ａを形成する。図２の符号２Ａ、２Ｂおよび２Ｄに示すように、高速点火方式における燃料ペレット１１０の核融合加熱以外の過程については、中心点火方式と同様である。

【0028】

このような高速点火方式では、加熱レーザ１１６により外部から強制的に加熱してホットスパーク１１３ａを形成する。すなわち、高速点火方式では、爆縮によってホットスパーク１１３ａを形成する必要はない。そのため、中心点火方式と比較し、爆縮時における主燃料部１１１ａとホットスパーク１１３ａとの界面の撹乱を考慮する必要がなく、固体燃料層１１１の圧縮の一様性を確保するための条件が緩和される。

【0029】

本発明者らは、高速点火方式によるレーザ核融合において中実構造の燃料ペレットを用いることで、核融合燃料の点火および燃焼を実現できることを見出した。また、本発明者らは、燃料ペレットを中実構造とすることで、後述する製造方法（図５～８参照）により簡易的に燃料ペレットの大量生産を実現できることを見出した。これらの知見は、核融合燃料の点火および燃焼を実現するためには燃料ペレットを中空構造とすることが必須であるといった従来の常識からは予想できない、極めて意外性の高い知見である。

【0030】

（燃料ペレット１０の構成）
図３は、本発明の実施形態１に係る燃料ペレット１０の模式断面図である。燃料ペレット１０は、核融合燃料１１と、核融合燃料１１を内部に収容するカプセル（膜）１２と、を備える。図３を参照し、高速点火方式によるレーザ核融合に用いられる中実構造の燃料ペレット１０の構成について以下に説明する。

【0031】

核融合燃料１１は、レーザを照射することによって核融合反応を生じさせるレーザ核融合（慣性核融合）の燃料である。核融合燃料１１は、例えば液体である。液体の例として、液体ＤＴ（重水素三重水素混合物）が挙げられる。この場合、ＤＴを２０Ｋ程度まで冷却し、液化させたＤＴを使用する。なお、核融合燃料１１としてはこれに限定されるものではない。核融合燃料１１は、固体であってもよい。固体の例としては、固体ＤＴが挙げられる。また、核融合反応はＤＴ核融合に限定するものではない。核融合燃料１１は、重水素のみから構成された燃料、三重水素のみから構成された燃料、固体ＬｉＤ（重水素リチウム）燃料、あるいは液体Ｂ_２Ｈ_６（ジボラン）燃料等であってもよい。

【0032】

カプセル１２は、核融合燃料１１の蒸発を抑制する球殻状の部材である。カプセル１２は、後述する燃料ペレット射出機構５４（図７～９を参照）による射出からレーザ照射までの１００ｍｓ程度の間、核融合燃料１１の蒸発を十分に抑制できる材質で構成される。カプセル１２は、例えばプラスチックである。プラスチックの例として、ポリスチレンまたはポリイミドなどが挙げられる。なお、カプセル１２としてはこれに限定されるものではない。カプセル１２は、Glow Discharge Polymer、ガラス、あるいはカーボンなどによって構成されてもよい。

【0033】

核融合燃料１１として液体ＤＴ燃料を用いる場合、カプセル１２の外径は、２００～５００μｍであることが好ましい。カプセル１２の厚さは、核融合燃料１１の蒸発を十分に抑制でき、かつ、核融合燃料１１に対して照射されるレーザの強度を低下させすぎない程度の厚さに設定される。具体的には、カプセル１２の厚さは、７μｍ以上かつ５０μｍ以下であることが好ましく、例えば１０μｍ程度とすることができる。

【0034】

核融合燃料１１は、カプセル１２の中を、液体または固体の状態で満たしている。すなわち、核融合燃料１１はカプセル１２の内部で中実構造をとる。ここで、核融合燃料１１として液体ＤＴ燃料を用いる場合、容易にカプセル１２内に核融合燃料１１を中実かつ等密（均一な密度で）に充填することができる。

【0035】

図４は、燃料ペレット１０を用いた高速点火方式による核融合燃料１１の点火方法を示す図である。図４の符号４Ａに示すように、燃料ペレット１０に対して爆縮レーザ５を照射する。爆縮レーザ５の照射条件については、図１２、１３を参照し、後述する。

【0036】

図４の符号４Ｂに示すように、爆縮レーザ５の照射によりカプセル１２は瞬時に高温のプラズマ１２ａとなり、燃料ペレット１０の外部方向に膨張する。このような高温のプラズマ１２ａの膨張により、核融合燃料１１は爆縮される。

【0037】

図４の符号４Ｃに示すように、爆縮された核融合燃料１１は、最大圧縮時において、圧縮前の数千倍の密度に圧縮され、主燃料部１１ａとなる。このような主燃料部１１ａに加熱レーザ６を照射して、主燃料部１１ａの中央部にホットスパーク１３を形成する。

【0038】

図４の符号４Ｄに示すように、ホットスパーク１３の核融合点火により、主燃料部１１１ａにおいて核融合反応が急激に開始される。

【0039】

（核融合炉１の構成）
図５は、燃料ペレット１０にレーザを照射する核融合炉１の模式図である。図５に示すように、核融合炉１は、燃料ペレット１０の入口２と、真空チャンバ３と、複数のレンズ４とを備える。また、真空チャンバ３の周囲には冷却材の流路（不図示）が設けられる。

【0040】

燃料ペレット１０は、入口２から真空チャンバ３内の所定の位置に導入される。具体的には、燃料ペレット１０は、真空チャンバ３内の所定の位置を通過するように投入される。複数のレンズ４は、レーザ５、６（爆縮レーザ５あるいは加熱レーザ６）を、真空チャンバ３内の所定の位置に集光する。燃料ペレット１０が所定の位置を通過するタイミングと、レーザ５、６が照射されるタイミングとを一致させることにより、所定の位置において燃料ペレット１０にレーザ５、６が照射され、核融合反応が生じる。核融合反応により生じた熱エネルギーは公知の方法により冷却材を介して発電エネルギーに変換される。

【0041】

（燃料ペレット１０の製造方法）
図６は、燃料ペレット１０の製造方法を示す工程図である。図７は、供給ステップＳ１および減圧ステップＳ２における燃料ペレット１０の製造装置５０を示す模式図である。図８は、充填ステップＳ３における燃料ペレット１０の製造装置５０を示す模式図である。図９は、連続射出ステップにおける燃料ペレット１０の製造装置５０を示す模式図である。図６～９を参照し燃料ペレット１０の製造方法の一例として液体ＤＴ燃料（核融合燃料）１１をカプセル１２に充填する場合の製造方法について以下に説明する。なお、核融合燃料１１として液体ＤＴ燃料以外の液体燃料（例えば、液体Ｂ_２Ｈ_６燃料）をカプセル１２に充填する場合においても、本実施形態における燃料ペレット１０の製造方法に適用することができる。

【0042】

図７～９に示すように、製造装置５０は、チャンバ５１と、真空ポンプ５２と、燃料貯蔵部５３と、燃料ペレット射出機構５４とを備える。製造装置５０は、複数のカプセル１２に液体ＤＴ燃料１１を充填し、燃料ペレット１０を製造する。また、製造装置５０は、燃料ペレット１０を核融合炉１に供給する。

【0043】

チャンバ５１は、複数のカプセル１２を格納する容器である。チャンバ５１は、略円筒状の本体部５１１と、本体部５１１の底部に設けられ、本体部５１１より内径の小さい射出部５１２とを備える。本体部５１１は、複数のカプセル１２を射出部５１２に誘導するために、下方に向かうに従い内径が徐々に小さくなっている。射出部５１２の内径はカプセル１２の外径より大きい。

【0044】

真空ポンプ５２は、チャンバ５１内を真空にするポンプである。燃料貯蔵部５３は、カプセル１２に充填される液体ＤＴ燃料１１を貯蔵するタンクである。真空ポンプ５２および燃料貯蔵部５３はそれぞれ、チャンバ５１に接続されている。燃料貯蔵部５３とチャンバ５１との間には、燃料貯蔵部５３とチャンバ５１との間での液体ＤＴ燃料１１の流れを制御するバルブ５３１が設けられている。

【0045】

燃料ペレット射出機構５４は、射出部５１２の下端に位置する燃料ペレット１０を、核融合炉１へ射出する。具体的には、燃料ペレット射出機構５４は、射出部５１２の下端に位置する燃料ペレット１０に対して圧縮重水素ガスを噴射する。射出部５１２の下部と核融合炉１の入口２とは図示しない配管により接続されている。燃料ペレット１０は、圧縮重水素ガスの圧力により、配管を通って核融合炉１へ射出される。

【0046】

本実施形態における燃料ペレット１０の製造方法は以下のとおりである。まず、図７に示すように、チャンバ５１に設けられた図示しない導入口から、複数のカプセル１２をチャンバ５１内に供給する（図６のＳ１）。

【0047】

次いで、真空ポンプ５２により、チャンバ５１内を減圧する（図６のＳ２）。真空ポンプ５２は、チャンバ５１内を所定の真空度とする。

【0048】

次いで、図８に示すように、所定の真空度であるチャンバ５１内において複数のカプセル１２に液体ＤＴ燃料１１を充填する（図６のＳ３）。具体的には、バルブ５３１を調整することで、燃料貯蔵部５３に貯蔵されている液体ＤＴ燃料１１がチャンバ５１に供給される。ここで、カプセル１２は、液体ＤＴ燃料１１に対して透過性を有する。したがって、チャンバ５１に供給された液体ＤＴ燃料１１は、複数のカプセル１２内に充填される。以上の製造方法（図６のＳ１～Ｓ３）により、液体ＤＴ燃料１１がカプセル１２に充填された燃料ペレット１０を製造することができる。

【0049】

製造装置５０は、図６のＳ１～Ｓ３により製造された燃料ペレット１０を核融合炉１に供給する。具体的には、まず、バルブ５３１を調整することで、図９に示すように、チャンバ５１に残存する液体ＤＴ燃料１１を燃料貯蔵部５３に回収する。次いで、射出部５１２の下部に位置する燃料ペレット１０に対して燃料ペレット射出機構５４のノズルから圧縮重水素ガスを噴射する。これにより、燃料ペレット１０を核融合炉１へ射出する。この操作を繰り返し、チャンバ５１内の複数の燃料ペレット１０を核融合炉１へ連続射出する。なお、燃料ペレット１０の核融合炉１への供給方法としてはこれに限定されず、例えば燃料ペレット１０を自由落下させることにより核融合炉１に供給してもよい。

【0050】

このような燃料ペレット１０の製造方法により、従来の燃料ペレットの製造方法と比較し、固体ＤＴの結晶を成長させる技術が不要であるため、飛躍的に生産効率を上げることができる。従って、簡易的に燃料ペレット１０の大量生産が実現できる。また、このような燃料ペレット１０の供給方法により、燃料ペレット射出機構５４による射出からレーザ照射までの間に核融合燃料１１が蒸発するのを十分に抑制することができる。

【0051】

また、燃料ペレット１０を核融合炉１に供給する前に、液体ＤＴ燃料１１を冷却固化させて固体ＤＴ燃料としてもよい。これにより、燃料ペレット射出機構５４による射出からレーザ照射までの間に、核融合燃料１１が蒸発するのを防ぐことができる。従って、燃料ペレット１０は、固体ＤＴ燃料を長時間保持することができる。

【0052】

〔実施形態２〕
（燃料ペレット２０の構成および製造方法）
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

【0053】

図１０は、本発明の実施形態２に係る燃料ペレット２０の模式断面図である。燃料ペレット２０は、核融合燃料１１と、カプセル（膜）２２と、コーン（誘導部材）２３と、を備える。

【0054】

カプセル２２は、円切り加工により形成された貫通孔２２ａを有する点でカプセル１２と相違する。例えば、外径が５００μｍのカプセル２２に対して、内径が１５０μｍの貫通孔２２ａが形成される。貫通孔２２ａは、例えば、円切り加工プログラムを実施するフェムト秒レーザ装置によって形成される。これにより、カプセル２２の円切り加工の再現性を向上させ、カプセル２２の大量生産を可能とする。

【0055】

コーン２３は、円錐形状を有し、前記円錐形状の底面側から頂点２３ａ側へ加熱レーザ６を誘導する誘導部材である。コーン２３は、頂点２３ａ側が貫通孔２２ａに挿入されるようにカプセル２２に接合される。コーン２３は、例えば、金あるいはアルミニウム等の比較的重い金属で構成されている。

【0056】

爆縮時において、圧縮された核融合燃料１１は、レーザに対する遮断密度より高い密度のプラズマで囲まれている。そのため、単に加熱レーザ６を核融合燃料１１の周辺に照射することでは、加熱レーザ６を核融合燃料１１の内部に伝搬することは困難である。そこで、加熱レーザ６は、コーン２３の内部を介して頂点２３ａに照射される。これにより、カプセル２２の内部に高エネルギーの電子を発生させ、ホットスパークを形成することができる。

【0057】

燃料ペレット２０の製造方法は、燃料ペレット１０と同様である。なお、燃料ペレット２０の製造時には、コーン２３の内部に核融合燃料１１が入り込まないように、コーン２３の方向が適宜制御される。また、核融合炉１への燃料ペレット２０の射出時には、加熱レーザ６がコーン２３に照射されるように、燃料ペレット２０の姿勢が適宜制御される。

【0058】

〔実施形態３〕
（燃料ペレット３０の構成および製造方法）
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

【0059】

図１１は、本発明の実施形態３に係る燃料ペレット３０の模式断面図である。図１１に示すように、燃料ペレット３０は、核融合燃料１１と、カプセル１２と、フォーム（発泡体）３３と、を備える。

【0060】

フォーム３３は、複数の細孔３３ａを有し、当該細孔３３ａ内に核融合燃料１１を収容する。フォーム３３は、カプセル１２の内部で中実構造をとる。なお、燃料ペレット３０は、カプセル１２を備えていなくてもよい。すなわち、燃料ペレット３０は、核融合燃料１１と、細孔３３ａ内に核融合燃料１１を収容する球状のフォーム３３と、を備えていてもよい。

【0061】

フォーム３３の材質は、例えばレゾルシノール・ホルマリン（ＲＦ）とフロログリシノールカルボン酸・ホルマリン（ＰＦ）との混合物（ＲＦ－ＰＦ）である。なお、フォーム３３の材質はこれに限定されない。

【0062】

燃料ペレット３０は、フォーム３３の細孔３３ａ内に核融合燃料１１を収容することで、燃料ペレット３０内に空気層が残存するのを防止することができる。すなわち、フォーム３３の細孔３３ａ内に核融合燃料１１を中実かつ等密に充填することができる。特に、液体ＤＴ燃料１１を冷却固化させて固体ＤＴ燃料とする場合、ＤＴの固化による体積の減少に応じてフォーム３３全体が圧縮する。そのため、固体ＤＴ燃料を用いる場合においても、核融合燃料１１を中実かつ等密に充填することができる。燃料ペレット３０の製造方法は、燃料ペレット１０の製造方法と同様である。

【0063】

〔実施形態４〕
（固体ＬｉＤ燃料を用いる場合の製造方法）
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

【0064】

本実施形態では、燃料ペレット１０の製造方法の一例として固体ＬｉＤ燃料をカプセル１２に充填する場合の製造方法について以下に説明する。

【0065】

ＬｉＤは常温で固体の結晶であり、通常は粉末で量産されている。固体ＬｉＤ燃料は、固体結晶ＬｉＤを球状に加工することで製造されてもよい。また、固体ＬｉＤ燃料は、粉末ＬｉＤを充填した一対の半球状のカプセルを互いに接着することで製造されてもよい。また、固体結晶ＬｉＤより安定である固体結晶ＬｉＯＤ（重水水酸化リチウム）を用いてもよい。ただし、発電エネルギーの効率の観点からは、固体結晶ＬｉＤを用いる方がより好ましい。

【0066】

〔実施形態５〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

【0067】

（レーザ核融合のシミュレーション）
上述の核融合燃料１１に爆縮レーザ５および加熱レーザ６を照射することによって生じるレーザ核融合のシミュレーションを行った。本実施形態では、爆縮レーザ５および加熱レーザ６の照射条件と、当該照射条件に対応するシミュレーション結果とについて、説明する。

【0068】

本シミュレーションにおいて、爆縮レーザ５のピーク強度は、５×１０＾１４Ｗ／ｃｍ^２と設定された。爆縮レーザ５のパルス幅は、６０ｎｓと設定された。爆縮レーザ５の波長は０．３５μｍと設定された。爆縮レーザ５のスポットサイズは９００μｍ（爆縮前の核融合燃料１１の半径）である。加熱レーザ６のピーク強度は、１０＾２０～１０＾２１Ｗ／ｃｍ^２と設定された。加熱レーザ６のパルス幅は、２０ｐｓと設定された。加熱レーザ６の波長は０．５３μｍと設定された。加熱レーザ６のスポットサイズは４０～１００μｍ（おおよそ爆縮後の核融合燃料１１の半径）である。

【0069】

図１２は、爆縮レーザ５の出力と核融合燃料１１の圧縮を示す値との関係を示すグラフである。図１２のグラフにおいて、縦軸は爆縮レーザ５による爆縮後の燃料密度半径積ρＲ（ｇ／ｃｍ^２）を、横軸は爆縮レーザ５の出力Ｅｉｍｐ（ｋＪ）を表す。

【0070】

レーザ核融合のシミュレーションにより、本発明者らは、爆縮レーザ５の出力Ｅｉｍｐを１０ｋＪと設定した場合に、ρＲ＝０．５ｇ／ｃｍ^２を達成し、核融合反応が連鎖に転じることを確認した（図１２の点Ａに対応）。また、本発明者らは、爆縮レーザ５の出力Ｅｉｍｐを５００ｋＪと設定した場合に、ρＲ＝２．４ｇ／ｃｍ^２を達成し、核融合反応により発電可能であることを確認した（図１２の点Ｂに対応）。また、これらのシミュレーション結果は、爆縮レーザ５の出力Ｅｉｍｐと爆縮後の燃料密度半径積ρＲとが図１２の直線のような線形の関係にあるといった理論上の計算結果と一致している。

【0071】

従来の中空構造の核融合燃料を用いるレーザ核融合の方式では、核融合反応により発電可能であるρＲを達成するために要求される爆縮レーザの出力は５ＭＪであった。一方、中実構造の核融合燃料１１を用いるレーザ核融合の方式では、核融合反応により発電可能であるρＲを達成するために要求される爆縮レーザの出力は５００ｋＪである。すなわち、従来のレーザ核融合の方式と比較し、中実構造の核融合燃料１１を用いるレーザ核融合の方式では、爆縮レーザ５の出力を１／１０程度に抑制することができる。

【0072】

図１３は、爆縮レーザ５のパルス波形を示すグラフである。図１３のグラフにおいて、縦軸は爆縮レーザ５の強度（Ｗ／ｃｍ^２）を、横軸は爆縮レーザ５の照射開始時からの経過時間（ｎｓ）を表す。破線は、コーン２３を備えない燃料ペレット１０に照射する爆縮レーザ５のパルス波形を示し、実線は、コーン２３を備えた燃料ペレット２０に照射する爆縮レーザ５のパルス波形を示す。

【0073】

図１３に示すように、中実構造の核融合燃料１１に照射される爆縮レーザ５のパルス波形は、段階的に強度が上がるように設定される。例えばコーン２３を備えない燃料ペレット１０の場合、爆縮レーザ５によって照射開始時から０ｎｓ、１０ｎｓ、１２ｎｓ、１３ｎｓ、および１３．５ｎｓのそれぞれにおいて、爆縮レーザ５の強度を段階的に上げることで、合計５つの衝撃波を発生させている。また、これらの５つの衝撃波は核融合燃料１１の中心に同時に到達するように設計されている。これにより、５つの衝撃波が重なり合い、中実構造の核融合燃料１１に対する非常に高い圧力が実現する。当該圧力により、核融合燃料１１が高密度に圧縮される。核融合燃料１１の高密度の状態は、１００ｐｓ程度の期間持続する。当該期間内に加熱レーザ６を核融合燃料１１に照射し、ホットスパークを形成する。

【0074】

図１４は、加熱レーザ６の各レーザ波長λＬ（λＬ＝０．３５μｍ、０．５３μｍ、１．０５μｍ）に対応する、核融合のエネルギー出力を示すグラフである。図１５は、加熱レーザ６の各レーザ波長λＬに対応する、核融合反応のために要求される電子のエネルギーおよび加熱レーザ６の出力を示す表である。図１４のグラフにおいて、縦軸は核融合のエネルギー出力ＥＦ（ＭＪ）を、横軸は加熱レーザ６によって発生させた電子のエネルギーＥｂ（ｋＪ）を表す。

【0075】

図１４に示すように、電子のエネルギーＥｂが特定の閾値を超えると、核融合点火が生じ、核融合のエネルギー出力ＥＦが急激に（数百倍に）上昇する。また、このような電子のエネルギーＥｂの特定の閾値は、加熱レーザ６のレーザ波長λＬによって変化する。λＬ＝０．３５μｍ、０．５３μｍ、１．０５μｍの場合、電子のエネルギーＥｂの特定の閾値はそれぞれ、３０ｋＪ、３５ｋＪ、５０ｋＪである。すなわち、λＬ＝０．３５μｍ、０．５３μｍ、１．０５μｍの場合、核融合反応のために要求される電子のエネルギーＥｂはそれぞれ、３０ｋＪ、３５ｋＪ、５０ｋＪとなる（図１５も参照）。

【0076】

核融合反応のために要求される電子のエネルギーＥｂを実現するための加熱レーザ６の出力は、加熱レーザ６から電子への変換効率に応じて異なる。加熱レーザ６から電子への変換効率を４０％と仮定すると、図１５に示すように、λＬ＝０．３５μｍ、０．５３μｍ、１．０５μｍの場合、核融合反応のために要求される加熱レーザ６の出力はそれぞれ、７５ｋＪ、８７．５ｋＪ、１２５ｋＪとなる。また、加熱レーザ６から電子への変換効率は、電子の発散角度によって異なる。したがって、核融合反応のために要求される加熱レーザ６の出力は、加熱レーザ６の波長λＬおよび電子の発散角度により決定される。

【0077】

（付記事項）
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

【0078】

例えば、上記実施形態では、慣性核融合に用いられる燃料ペレットに本発明の製造方法を適用しているが、これに限定されない。例えば、磁場核融合に用いられる燃料ペレットに本発明の製造方法を適用してもよい。また、Ｘ線、中性子、あるいはＥＵＶの発生に用いられる連続駆動ターゲットに本発明の製造方法を適用してもよい。

【符号の説明】

【0079】

５、１１５ 爆縮レーザ
６、１１６ 加熱レーザ
１０、２０、３０ 燃料ペレット
１１ 核融合燃料（液体ＤＴ燃料）
１２、２２ カプセル（膜）
２２ａ 貫通孔
２３ コーン（誘導部材）
２３ａ 頂点
３３ フォーム（発泡体）
３３ａ 細孔

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】