ニャオニャオ21世紀

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New Ideas for Fusion Power Generation. 慣性静電閉じ込め核融合での新しい核融合発電のアイデア




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Earlier, I had an idea about fusion power generation using carbon nanotubes.

I put it out.

日本語の説明は下の方にあります。

 

Up until now, the idea was just a flash in the pan.

I've done a lot of research since then.

To generate fusion power.

I'm beginning to understand some of the difficulties and possibilities.

 

I know there are many things I have not been able to get to, but please stay with me.

 

My idea is to put a fuel capsule made of carbon nanotubes into

The idea was to generate fusion power by applying high voltage.

(More on that at the bottom.)

 

It is likely to be a type of inertial electrostatic confinement fusion.

 

I've read articles such as the successful fusion experiment conducted by a 13-year-old student in the US.

I've seen it and I think it's similar to that method.

 

I looked into the problems of generating fusion power with that method.

 

 

Inertial Electrostatic Confinement Fusion (IECF)

http://www.jspf.or.jp/Journal/PDF_JSPF/jspf2007_10/jspf2007_10-795.pdf

 

For more information about Inertial Electrostatic Confinement Fusion (IECF), please refer to

You can read more about it in the link above.

 

According to Wikipedia.

The IECF generates neutrons by placing a cathode with high geometric transmittance in the center of the vacuum vessel, where the inner wall doubles as an anode, and applying a high negative voltage of tens of kV or more. The accelerated ions are raised, passed through to the other side of the cathode, and then decelerated to the center of the plasma again. This repeated acceleration and deceleration leads to collisions between circumferentially charged particles, circumferentially charged particles and background particles, and accelerated neutrals and background particles that are neutralized in the plasma [6]. Some of the ions also collide with the cathode, causing secondary electrons to be emitted. These secondary electrons are accelerated by the potential of the charged particles at the center of the cathode, but the electrons form a potential well at the center of the cathode due to their better convergence than the charged particles, and the charged particles are drawn into the potential well, which dramatically increases the collision probability between the charged particles and improves the fusion reaction rate, resulting in this collision It is said to cause stochastic fusion reactions that sometimes depend on particle density and velocity, etc. [1]. The reasons for the occurrence of fusion reactions can be the effect of the double well potential and the tunneling effect, but the key physics, including the potential distribution inside the cathode, are not always understood and the detailed reasons are not yet understood [6]. The particles produced by the fusion reaction can be changed depending on the type of gas to be enclosed, and deuterium (D) and tritium (T) gases are mainly used to produce neutrons, and if the type of gas is changed, the type of particles produced can be changed, and if the fuel gas is deuterium (D) gas, it is possible to produce 2.5 MeV It is a source of neutrons, with a neutron source of 14.3 MeV if it is a mixture of deuterium (D) and tritium (T), and a proton source of 14.7 MeV if it is a mixture of deuterium (D) and helium-3 (He-3) [1]. The energy of the particles is monochromatic, and the amount and time of generation can be adjusted freely [6].

(Citation: inertial electrostatic confinement fusion - Wikipedia)

 

The spherical vacuum tube is filled with deuterium/trihydrogen fuel gas.

An anode is placed on the outer wall of the vacuum tube and a cathode electrode is placed inside.

If you apply a high voltage of several tens of kV to it, the neutrons are produced.

 

It's the simplest method of fusion.

It's apparently famous as a popular nuclear fusion used by amateur physics enthusiasts.

 

Problem 1:.

They will not be used in fusion power research.

This is because the energy generated (only about 10^6 neutrons per second)

This is because there is too little energy generated for the energy input (electricity).

The energy generated is too little for the energy input (electricity), and therefore power generation is

It is not possible.

 

So, is this method of fusion power generation impossible?

You may ask yourself, "How can I increase the amount of energy that can be generated by using fuel gas (deuterium/trihydrogen) at high density, with high voltage and high current?

 

If fuel gas (deuterium or tritium) is subjected to high density, high voltage and high current, the energy generated can be increased.

It is possible, but there are many problems.

According to the experiments described in books and other publications.

The more you increase the pressure of the fuel gas.

They say that the fusion reaction is reduced.

 

The glow discharge between the electrodes causes the fuel gas to turn into plasma.

 

This thing called inertial electrostatic fusion is the key to understanding why fusion happens in the first place.

They don't know exactly what the details are.

(There is no doubt that a reaction is taking place because neutrons are detected.)

The collision between ions (cations) and residual gas (non-plasma gas) causes

Isn't nuclear fusion happening? That's what I mean.

 

Since it is not a fusion reaction between deuterium and tritium, the energy generated may be less.

That's what it seems to mean.

 

As you increase the density of the fuel gas, the residual gas increases.

Does this mean that fusion reactions are difficult to carry out?

 

Problem 2:

Material damage due to heat.

If multiple high temperature reactions occur, the vacuum tube could be damaged.

 

 

New fusion power ideas
The idea is based on these problems.

 

idea1:

Nuclear fusion reactor

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nuclear fusion
 

 

In a capsule covered with carbon nanotubes.

Fuel gas (deuterium or tritium) is filled in the chamber.

(Because the amount of neutrons produced varies depending on the concentration of the fuel gas, it is necessary to fill the tank with the fuel gas (deuterium or tritium).

I think it has to be dense to some degree.)

 

The anode is placed on the outer wall of the capsule and the cathode is placed inside that capsule.

 

Before applying a high voltage of several tens of kV to it.

The fuel capsule.

High frequency (you can imagine a microwave oven) and

The fuel gas is turned into plasma.

 

After plasmaization, a high voltage is applied to the capsule to cause a nuclear fusion reaction.

 

The problem with inertial electrostatic confinement fusion is that it does not work.

If it's caused by unplasmaed residual gas, then

By plasmaizing the inside of the capsule with high frequency waves from the outside, the

Could we get around that problem? (High-frequency heating method)

I thought.

 

Plasma can be quite hot.

I've done a lot of research and it seems to be about 10,000 degrees.

(I wasn't sure about this area. I heard there's also something called a low-temperature plasma.)

 

Depending on the concentration of the gases, the degree of damage to the exterior walls will vary.

(Like if you put your hand in 90-degree hot water, you'll get burned, but a 90-degree sauna won't burn you.)

 

In this method, the use of carbon nanotubes for the outer wall of the capsule is

I'm suggesting that

It depends on the characteristics of carbon nanotubes.

High current flow. (Some 100 times higher than copper.)

This means that the capsule can withstand high temperatures.

 

Because it is a fuel capsule, once a nuclear fusion reaction occurs, the capsule will be destroyed.

Therefore, I think it will be safe even if the temperature is very high.

 

In the case of a normal fusion device, the capsule will be exposed to the heat of the fusion (or is it high temperature plasma?) many times.

We'll have to be patient.

By making it a disposable fuel capsule.

It eliminates the need to consider damage to the equipment.

(Since it is not thermonuclear fusion, there is no need to make it a 100 million degree plasma.)

 

I'm not a researcher, so I don't know the details of what to make of the details.

Even if the fuel capsule were to become very hot and melt.

It is unlikely that the inside of the fusion reactor will be damaged.

Carbon nanotubes are carbon, not metal, so if you inject them with oxygen.

This is because it can be discharged outside the furnace as carbon dioxide.

(If the capsule is metal, when the capsule melts, the metal adheres to the inside of the furnace and is released into the atmosphere.

It's likely to be very damaging :)

 

The idea is to use a laser fusion fuel capsule to

It is very close.

Laser fusion can be difficult to achieve with the same timing of the lasers, or

The need for high power lasers and the ability to withstand high frequency of operation.

I hear that there are problems.

In that regard, my idea does not have those problems.

 

But by preplasming the fuel capsule with high frequency plasma in advance.

Is it possible to create a nuclear fusion reaction with high density fuel?

I don't understand that area.

(In magnetic confinement fusion, the density is 10^15 (cm-3)

The density in the case of laser fusion is 10^26 (cm-3))

 

 

 

Idea 2:

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It's pretty much the same as idea one.

The difference is that the carbon nanotube wire is wrapped around the fuel capsule in a circle.

It's like wrapping a coil around the outside of the fuel capsule.

The plasma gets wrapped around the magnetic wire.

The motion of the plasma in the fuel capsule can be controlled.

 

Depending on the way the outer carbon nanotubes are wound, the

We can make the plasma centralized and

Or, by wrapping it differently.

It may be possible to agitate the plasma inside the fuel capsule.

By diffusing the gases inside uniformly.

You may be able to prevent residual gas from forming.

(It may be possible to generate thermonuclear power with each fuel capsule, depending on how it is done.

Like a disposable tokamak-type high temperature fusion reactor.)

 

 

 

If you can verify whether it is feasible or not, I would be very happy.

Suppose you could build on this idea (with various improvements).

Even if we could generate fusion power.

I'm not interested in claiming a patent ^^^;

 

(I really wish I could do my own research and publish a paper on it.

I'm sorry but I'm not in that environment :)

 

If you'd like, I'd be happy to post a link to this page ^^^

Translated with www.DeepL.com/Translator (free version)

 

 

日本語:

以前、カーボンナノチューブを使っての核融合発電についてのアイデアを

出しました。

 

今までのアイデアは、単なる閃きだったのですが、

あれから色々と調べてみて、

核融合発電を起こすための

難しさや可能性について、ある程度分かってきました。

 

至らない点も多いと思いますが、お付き合いください。

(核融合についての説明はこのYoutubeがわかりやすいです。

youtu.be

)

 

私のアイデアは、カーボンナノチューブで作られた燃料カプセルに

高電圧をかけて、核融合発電を起こすというものでした。

(下部に詳細を書きます)

 

慣性静電閉じ込め核融合の一種になると思われます。

 

アメリカの13歳の学生が核融合実験を成功させたなどの記事を

見かけることがありますが、その方式に近いと思います。

 

その方式での核融合発電するための問題点などを調べました。

 

 

慣性静電閉じ込め核融合(IECF)

http://www.jspf.or.jp/Journal/PDF_JSPF/jspf2007_10/jspf2007_10-795.pdf

 

慣性静電閉じ込め核融合(IECF)についての詳細は、

上記リンクに詳しく書いてあります。

 

ウィキペディアによりますと、

IECFが中性子を発生させる原理は内壁が陽極を兼ねる真空容器の中央部に幾何学的透過率の高い陰極を配置して数十kV以上の負の高電圧を印加することで荷電粒子を生成して、それらの荷電粒子は電極間の電位差により、装置の中心へ加速して陰極グリッドを通過し、中心部の電位を上昇させ、陰極の反対側へと通り抜け、通り抜けたイオンは減速して再度中央部へと加速される。この加速・減速を繰り返す周回荷電粒子により、周回荷電粒子同士、周回荷電粒子と背景粒子、周回荷電粒子がプラズマ内で中性化した加速中性粒子と背景粒子の衝突が発生する[6]。また、イオンの一部は陰極に衝突し、2次電子を放出させる。この2次電子は陰極中心部の荷電粒子の電位により加速されるが、電子は荷電粒子よりも収束性が良いため中心部にポテンシャル井戸を形成して、そのポテンシャル井戸に荷電粒子が引き込まれることにより、荷電粒子同士の衝突確率が飛躍的に増大し、核融合反応率が向上して、この衝突時に粒子密度や速度などに依存する確率的核融合反応を引き起こすとされる[1]。核融合反応の発生する理由は二重井戸ポテンシャルの効果やトンネル効果などが考えられるが、陰極内部のポテンシャル分布を始め、鍵となる物理が必ずしも解明されておらず、詳しい理由はまだ解明されていない[6]核融合反応によって発生する粒子は封入されるガスの種類によって変えることが可能で中性子を発生させるためには重水素(D)、三重水素(T)ガスが主に用いられ、ガス種を変更すれば発生する粒子の種類を変更することが可能で燃料ガスを重水素(D)ガスとすると2.5MeVの中性子源となり、重水素(D)と三重水素(T)の混合ガスとすると14.3MeVの中性子源、重水素(D)とヘリウム3(He-3)の混合ガスとすると14.7MeVの陽子源となる[1]。粒子の持つエネルギーが単色で、発生量や発生時間の調整が自由に出来るという特徴がある[6]

(引用:慣性静電閉じ込め核融合 - Wikipedia)

 

球体の真空管に、重水素・三重水素の燃料ガスを封入し、

真空管の外壁に陽極を、内部に陰極の電極を設置し、

そこに数十kVの高電圧をかけると、中性子が発生するというものです。

 

一番簡単な核融合の方法であり、

アマチュア物理愛好家によく使われる核融合として有名らしいです。

 

問題点1:

核融合発電の研究には利用されることはありません。

なぜなら、発生エネルギー(毎秒10^6ほどの中性子しか発生しない)が

少なすぎるためです。

投入エネルギー(電気)に対して、発生エネルギーが少なすぎるため発電とは

なりません。

 

それでは、この方式での核融合発電は不可能なのか?

という疑問を持たれると思います。

 

燃料ガス(重水素・三重水素)を高密度、大電圧、大電流をかければ、発生エネルギーを増大させることが

可能ですが、色々と問題があります。

書籍などに書いてある実験によると、

燃料ガスの圧力を増やすほど、

核融合反応が減ってしまうらしいのです。

 

電極間のグロー放電により、燃料ガスがプラズマ化します。

 

この慣性静電核融合というものが、そもそもなぜ核融合が起こるのか、

正確に詳しくは分かっていないらしいのです。

(中性子が検出されるので、反応が起こっているのは間違いありません)

イオン(陽イオン)と残留ガス(プラズマ化していないガス)との衝突で

核融合が起こっているのではないか?ということです。

 

重水素と三重水素との核融合反応でないため、発生エネルギーが少ないのではないか?

ということらしいのです。

 

燃料ガスを高密度化すると、残留ガスが増え、

核融合反応がしにくいということでしょうか。

 

問題点2:

熱による材料損傷。

何度も高温の反応が起きた場合、真空管の損傷が考えられます。

 

 

新しい核融合発電のアイデア

それらの問題点を踏まえてのアイデアとなります。

アイデア1:

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核融合炉 nuclear fusion

 

 

カーボンナノチューブで覆われたカプセルの中に、

燃料ガス(重水素・三重水素)を封入します。

(その濃度により発生中性子の量が変わりますので、

ある程度、高密度にしないといけないと思います)

 

カプセルの外壁に陽極、そのカプセルの内部に陰極を設置します。

 

そこに数十kVの高電圧をかける前に、

その燃料カプセルに、

高周波(電子レンジをイメージしてもらうとわかり易いと思います)をかけ、

燃料ガスをプラズマ化します。

 

プラズマ化をした後に、カプセルに高電圧をかけ、核融合反応を起こします。

 

慣性静電閉じ込め核融合の問題点が、

プラズマ化していない残留ガスが原因だとすると、

外部からの高周波によりカプセル内部をプラズマ化しておくことで、

その問題点を回避できるのではないか?(高周波加熱法)

と考えました。

 

プラズマはかなりの高温となります。

色々調べた結果、1万度ほどらしいです。

(この辺りはよく分かりませんでした。低温プラズマというものもあるそうです)

 

気体の濃度により、外壁の損傷度は変わります。

(90度の温水に手を入れれば火傷しますが、90度のサウナだと火傷しないというような)

 

この方式では、カプセルの外壁にカーボンナノチューブを使用することを

提案していますが、それは、

カーボンナノチューブの特性によります。

・大電流が流せるということ。(銅の100倍とも)

・高温に耐えられるということ。

 

燃料カプセルですので、一度、核融合反応が起これば、そのカプセルは破棄されます。

そのため、かなりの高温が発生しても大丈夫だと思います。

 

通常の核融合の装置の場合、何度も核融合の熱(高温のプラズマでしょうか)に

耐えないといけませんが、

使い捨ての燃料カプセルにすることにより、

機材の損傷を考慮する必要がなくなります。

(熱核融合ではないため、1億度のプラズマにする必要はないと思われます)

 

詳細をどのようなにすればいいのか、研究者ではないので詳しくはわかりませんが、

仮に燃料カプセルがかなりの高温になり、溶融することがあったとしても、

核融合炉内が損傷することはないと思われます。

カーボンナノチューブは金属ではなく炭素なので、酸素を注入してやれば、

二酸化炭素として、炉の外部に排出できるためです。

(仮にカプセルが金属だった場合、カプセルが溶融すると炉の内部に金属が付着し、

損傷が大きいと思われます。)

 

このアイデアは、レーザー核融合の燃料カプセルを使っているというものに

非常に近いです。

レーザー核融合は、レーザーの同一のタイミングでの照射が難しかったり、

高出力のレーザーが必要であったり、高頻度の運用に耐えられるかなどの

問題点があると聞きます。

その点、私のアイデアは、それらの問題がありません。

 

しかし、燃料カプセルを前もって、高周波でプラズマ化しておくことで、

高密度の燃料で核融合反応起こすことが可能なのか?

その辺りが分かりません。

(磁場閉じ込め核融合では密度は10^15 (cm-3)

レーザー核融合の場合の密度は10^26 (cm-3))

 

 

アイデア2:

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アイデア1とほぼ同じなのですが、

燃料カプセルにカーボンナノチューブ電線をグルグルに巻きつけるところが違います。

燃料カプセルの外側にコイルを巻き付けているようなものです。

プラズマは磁力線に巻き付くので、

燃料カプセルの中のプラズマの動きをコントロールできます。

 

外側のカーボンナノチューブの巻き方によって、

プラズマが中心に集中するようにできますし、

または、違う巻き方をすることで、

燃料カプセル内のプラズマを撹拌することができるかもしれません。

中の気体を均一に拡散することで、

残留ガスができないようにすることができるかもしれません。

(やり方によっては、燃料カプセル1つ1つで熱核融合発電がおこせるのかもしれません。

使い捨てのトカマク型高温核融合炉みたいな感じで。)

 

実現可能かどうか検証していただけたら本望です。

仮にこのアイデアを元に(様々な改良をされて)

核融合発電を起こすことが出来たとしても、

特許を主張する気はありませんので^^;

 

(本当は自分で研究して論文を出すなりできたらいいのですが、

残念ですが私はそのような環境にいませんので。)

 

もしよろしければ、このページにリンクを貼って頂けると嬉しいです^^


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