核聚变照射配位决定方法、核聚变照射配位决定装置以及核聚变装置

技术领域

本发明涉及决定相对于核聚变(nuclear fusion)燃料的能量线的照射配位的核聚变照射配位决定方法、核聚变照射配位决定装置以及使用其制造的核聚变装置。

背景技术

核聚变被期待作为替代化石燃料等的将来的能源。特别是在作为惯性核聚变的一种方式的激光核聚变的技术领域中，自1990年代初始提出有使用超高输出的佩塔瓦(PW：Petawatt)激光的高速点火方式以来，各个研究机构倾力推进开发，其基础研究取得了快速的进展。

关于高速点火方式和中心点火方式中所代表的由直接照射进行的激光核聚变，通过将激光照射于核聚变靶(nuclear fusion target)(小球，pellet)，从而使燃料压缩(内爆，implosion)到靶的中心部，而制造出超高密度状态。此时，为了稳定地产生惯性核聚变，燃料的高密度压缩成为必不可缺的，为此，有必要尽可能地均匀地照射·压缩核聚变靶。例如，作为用于获得激光的一样照射的现有结构，众所周知将60个激光的照射配位设定成球对称的核聚变装置(参照下述非专利文献1)。

非专利文献1：“Laboratory for LaserEnergetics，OMEGA 60”，[online]，平成21年6月更新，[平成21年7月23日检索]，互联网〈URL：http://www.lle.rochester.edu/05_omegalaserfacility/05_omegalaserfacility.php〉

发明内容

发明所要解决的课题

然而，关于上述现有的装置，为了产生惯性核聚变，还有激光的照射的一样性不充分的问题。

因此，本发明是有鉴于该课题而悉心研究的结果，以提供一种可有效地提高所照射的能量线的一样性的核聚变照射配位决定方法、核聚变照射配位决定装置以及核聚变装置为目的。

解决课题的技术手段

为了解决上述课题，本发明的核聚变照射配位决定方法是一种计算在相对于核聚变燃料照射能量线的时候的能量线的照射配位(coordinate)的方法，具备以下步骤：信息处理装置假想性地将规定数目的电荷配置于使用随机数设定的球面上的规定数目的各个初始坐标的初始配置步骤、信息处理装置根据作用于规定数目的电荷之间的库仑力、将配置于初始坐标的规定数目的电荷的坐标限制于球面上并按照时间序列解析的坐标解析步骤、信息处理装置根据由坐标解析步骤进行解析的坐标、判定规定数目的电荷的电势能稳定化了的时间点的电势评价步骤、信息处理装置将在电势评价步骤中判定的时间点上的规定数目的电荷的坐标作为使核聚变燃料配置于球面的中心的情况下的能量线的照射配位而导出的照射配位导出步骤。

或者，本发明的核聚变照射配位决定装置是一种计算在相对于核聚变燃料照射能量线的时候的能量线的照射配位的信息处理装置，具备以下单元：假想性地将规定数目的电荷配置于使用随机数设定的球面上的规定数目的各个初始坐标的初始配置单元、根据作用于规定数目的电荷之间的库仑力、将配置于初始坐标的规定数目的电荷的坐标限制于球面上并按照时间序列解析的坐标解析单元、根据由坐标解析单元解析的坐标判定规定数目的电荷的电势能稳定化了的时间点的电势评价单元、将由电势评价单元判定的时间点上的规定数目的电荷的坐标作为使核聚变燃料配置于球面的中心的情况下的能量线的照射配位而导出的照射配位导出单元。

根据这样的核聚变照射配位决定方法以及核聚变照射配位决定装置，由信息处理装置假想性地将电荷配置于球面上的规定数目的初始坐标，该电荷的坐标按照时间序列被解析，根据电荷的电势能稳定化了的时间点的坐标，导出使核聚变燃料配置于球面的中心的时候的能量线的照射配位。由此，与现有相比较，能够以能量线的少的配位数提高相对于核聚变燃料的能量线的照射强度的一样性。

另外，本发明的核聚变装置是一种使用以上所述的核聚变照射配位决定方法制造的核聚变装置，具备用于通过照射能量线而使核聚变反应点火的核聚变靶、在相当于使核聚变靶配置于球面的中心的时候的由核聚变照射配位决定方法计算出的照射配位的位置上设置的规定数目的能量线源。

根据这样的核聚变装置，因为提高了相对于核聚变燃料的能量线的照射强度的一样性，所以能够稳定地产生惯性核聚变。

发明的效果

根据本发明，能够有效地提高所照射的能量线的一样性。

附图说明

图1是表示本发明的优选的一个实施方式所涉及的照射配位决定装置的功能结构的方块图。

图2是表示图1的照射配位决定装置的硬件结构的硬件方块图。

图3是作为图1的照射配位决定装置进行工作的信息处理装置的立体图。

图4是表示由图1的照射配位决定装置进行的照射配位决定时的处理程序的流程图。

图5是表示根据图4的照射配位决定方法进行制造的核聚变装置的构造的平面图。

图6是用于说明图5的核聚变装置中的能量线的照射配位的概念图。

图7是表示本实施方式中的核聚变装置的照射均匀性的模拟结果的图表。

图8(a)是表示作为惯性核聚变的一个方式的中心点火方式的原理的图，(b)是表示作为惯性核聚变的另一个方式的高速点火方式的原理的图。

符号的说明

1…照射配位决定装置、30…信息处理装置、102…初始配置部(初始配置单元)、103…坐标解析部(坐标解析单元)、104…电势评价部(电势评价单元)、105…最适合配位决定部(照射配位导出单元)、201…核聚变装置、202…球状靶(核聚变靶)、203…激光照射源(能量线源)、S_o…球面。

具体实施方式

以下，一边参照附图，一边对本发明所涉及的核聚变照射配位决定方法以及核聚变照射配位决定装置的优选的实施方式进行详细的说明。还有，在附图的说明中，将相同的符号标注于相同或者相当的部分，省略重复的说明。

首先，一边参照图8，一边对成为核聚变照射配位决定方法的对象的核聚变装置中的惯性核聚变的原理进行说明。图8(a)是表示作为惯性核聚变的一个方式的中心点火方式的原理的图，图8(b)是表示作为惯性核聚变的另一个方式的高速点火方式的原理的图。

关于中心点火方式，如图8(a)所示，作为使核聚变反应点火的核聚变靶(小球，pellet)，使用由DT燃料层902以及烧蚀(ablator)层903构成的球状靶901。通过相对于该靶901照射激光904，从而将球状的燃料层902压缩成球对称。然后，通过在其最终阶段周围的低温高密度的等离子体将已形成的比较低密度的高温等离子体压缩到中心部，从而在中心部生成核聚变反应的点火用的热点(hotspot)。

关于高速点火方式，如图8(b)所示，使用由DT燃料层912、烧蚀层913以及圆锥体(cone)914构成的靶911。在该方式中，通过相对于靶911的燃料部照射激光915B，从而使燃料层912向中心部压缩。再有，从圆锥体914侧照射佩塔瓦激光915A，从而在圆锥体914的前端生成高能量电子。该高能量电子透过由金等的金属薄膜构成的圆锥体914并被输送，通过加热最终被压缩成高密度的燃料，从而生成核聚变反应的点火用的热点。

为了实现这些点火方式，燃料的高压缩密度成为必要，作为结果，要求高内爆(implosion)一样性和激光的照射一样性。本发明的核聚变照射配位决定方法以及核聚变照射配位决定装置，为了对应于这些要求，是用于设计核聚变装置中的能量线的照射配位的核聚变照射配位决定方法以及核聚变照射配位决定装置。在此，作为在核聚变点火的时候进行照射的能量线而使用激光，作为核聚变反应而假想D(氘)-T(氚)反应，作为所对应的核聚变燃料而假想DT燃料，但是，相对于其它的能量线、核聚变反应以及燃料也同样能够适用。

图1是表示本发明的优选的一个实施方式所涉及的照射配位决定装置1的功能结构的方块图，图2是表示照射配位决定装置1的硬件结构的硬件方块图，图3是作为照射配位决定装置1进行工作的信息处理装置的立体图。

如图1所示，照射配位决定装置1在功能性方面具备输入部101、初始配置部(初始配置单元)102、坐标解析部(坐标解析单元)103、电势评价部(电势评价单元)104、最适合配位决定部(照射配位导出单元)105以及输出部106。图2以及图3所示的信息处理装置30作为该照射配位决定装置1而进行工作。

信息处理装置30具备软盘驱动装置、CD-ROM驱动装置、DVD驱动装置等的读取装置12、使操作系统常驻的作业用存储器(RAM)14、将存储在存储介质10中的程序存储的存储器16、显示器等的显示装置18、作为输入装置的鼠标20及键盘22、用于进行数据等的发送接收的通信装置24、控制程序的执行的CPU26。信息处理装置30，在存储介质10被插入到读取装置12时，可从读取装置12读取(access)容纳于存储介质10的程序，由该程序，可以作为本发明的照射配位决定装置1而工作。

具体而言，由图1所示的各个部分实现的功能通过如下方式实现：通过将规定的程序读入到图2所示的CPU26、存储器16等的硬件上，从而在CPU26的控制的基础上使通信装置24、鼠标20、键盘22以及显示器18工作，并且进行作业用存储器14和存储器16中的数据的读出以及写入。

以下，对照射配位决定装置1的各个部分的功能进行详细的说明。

输入部101接受设计对象的核聚变装置中的能量线的照射配位数的输入。即，输入部101接受利用鼠标20、键盘22的照射配位数的信息输入，并将所接受的照射配位数的数据容纳于作业用存储器14等。

初始配置部102根据由输入部101所接受的照射配位数N_B(N_B为正整数)，设定分别与对应于该照射配位数N_B的数目的电荷Q_i(i＝1，……，N_B)相关的初始坐标r0_i(i＝1，……，N_B)。具体而言，初始配置部102具有随机数产生部102a，在假想空间内设定将原点O作为中心的球面S_o，一边参照由随机数产生部102a生成的随机数，一边将初始坐标r0i(i＝1，……，N_B)设定于球面S_o上的随机的位置上。由此，初始配置部102假想性地将N_B个电荷Q_i配置于由球面S_o上的各个初始坐标r0i表示的位置。

坐标解析部103，将由初始配置部102设定初始坐标r0i的N_B个电荷Q_i作为对象，将该电荷Q_i的坐标按照时间序列进行解析。即，坐标解析部103计算将电荷Q_i(i＝1，……，N_B)的电荷量设定为q的时候的作用于各个电荷Q_i之间的库仑力。再有，坐标解析部103除了电荷Q_i被限制于球面S_o上的条件(|r_i|＝1，i＝1，……，N_B)之外，使用下述式(1)，

[数1]

$>\frac{d^2{r}_j}{{\mathrm{dt}}^2}=\underset{i=1}{\overset{N_B}{\Sigma }}\frac{q^2}{{|\overrightarrow{r_j}-\overrightarrow{r_j}|}^2}-\mathrm{Co}\frac{d\overrightarrow{r_j}}{\mathrm{dt}}(j=1,...,N_B)...\left(1\right)$>

对与电荷Q_i的坐标r_i(i＝1，……，N_B)相关的N_B个联立运动方程式进行时间积分而解答，从而按照时间序列计算出所有的坐标r_i。在此，上述式(1)的右边第2项是用于防止解的微小振动的人工粘性项。

电势评价部104根据由坐标解析部103解析的N_B个电荷Q_i的坐标r_i，判定所有的电荷Q_i的电势能稳定化了的时间点。具体而言，电势评价部104每次由坐标解析部103计算出坐标r_i，由下述式(2)计算N_B个电荷Q_i的电势能的总和E_p。

$>E_P=\underset{i=1}{\overset{N_B}{\Sigma }}\underset{j=1(i\ne j)}{\overset{N_B}{\Sigma }}\frac{q^2}{|\overrightarrow{r_i}-\overrightarrow{r_j}|}...\left(2\right)$>

然后，电势评价部104通过判定总和Ep的时间变化是否为规定的阈值Thp以下，从而判定电荷Qi的电势能是否稳定化。例如，判定基于前一次计算的坐标ri的总和Ep与基于这一次计算的坐标ri的总和Ep之差是否为阈值Thp＝10^-16以下。

最适合配位决定部105在由电势评价部104判定为电势能稳定化了的时候，特定对应于该稳定化时间点的N_B个电荷Q_i的坐标r_i。然后，最适合配位决定部105将这些坐标r_i作为对应于在使核聚变靶配置于球面S_o的中心的时候的能量线的最适合照射配位的坐标而导出。然后，最适合配位决定部105将所导出的坐标r_i输送到输出部106，输出部106以表数据形式等的规定的输出形式输出至显示器18和通信装置24。

接着，一边参照图4，一边对使用照射配位决定装置1的照射配位决定方法进行说明。图4是表示由照射配位决定装置进行的照射配位决定时的处理程序的流程图。

首先，由照射配位决定装置1的输入部101，接受与设计对象的核聚变装置相关的能量线的照射配位数N_B的输入(步骤S201)。接着，通过由初始配置部102生成随机数，从而将分别与对应于照射配位数N_B的数目的电荷Q_i(i＝1，……，N_B)相关的初始坐标r0i随机地设定于球面S_o上(步骤S202)。

之后，由坐标解析部103，将考虑了电荷Q_i(i＝1，……，N_B)之间的库仑力的N个联立运动方程式时间积分，从而将电荷Q_i的坐标r_i按照时间序列进行计算(步骤S203)。然后，由坐标解析部103，将下一次计算出的坐标r_i的时刻设定成下一步骤的时刻(步骤S204)。

再有，由电势评价部104，判定所有的电荷Q_i的电势能的总和E_p是否为阈值Th_p以下，该判定结果被送至最适合配位决定部105(步骤S206)。

其结果，在总和E_p为阈值Th_p以下的情况下(步骤S206：是)，由最适合配位决定部105，将在该时间点计算出的N_B个坐标r_i作为对应于在将核聚变靶配置于球面S_o的中心的时候的能量线的最适合照射配位的坐标而决定。与此同时，由输出部106，将与最适合照射配位的坐标相关的信息输出至显示器18等从而结束处理(步骤S207)。

另一方面，在总和E_p超过阈值Th_p的情况下(步骤S206：否)，处理返回到步骤S203，重复与下一步骤的时刻相关的电荷Q_i的坐标r_i的计算。

接着，表示使用以上所述的照射配位决定方法而设计以及制造的核聚变装置的实施例。

首先，在设定为照射配位数N_B＝48的情况下，由照射配位决定装置1导出的能量线的最适合照射配位的坐标如以下表1所示。

[表1]

在此，所导出的坐标由假想的球面S_o上的极坐标(θ，φ)表示。图5是表示根据该情况下的最适合照射配位的坐标进行制造的核聚变装置201的构造的平面图，图6是用于说明图5的核聚变装置201中的能量线的照射配位的概念图。

如图5所示，核聚变装置201具备球状靶202、以及配置于球状靶202的周围的48个地方并朝着球状靶202照射激光的激光照射源203。在此，在图5中，仅图示48个中的一部分的激光照射源203。该激光照射源203被设置于相当于在假想为球状靶202位于球面S_o的中心的情况下的最适合照射配位的位置。

具体而言，激光照射源203以通过由照射配位决定装置1导出的球面S_o上的假想坐标点P_A、P_B并能够朝着球状靶202的中心照射激光L₁的方式配置。决定激光照射源203的最适合配位的这些坐标点被分成2组24点的坐标模式P_A、P_B，相当于表1的模式A的坐标点P_A由所邻接的4点形成6个正方形，相当于表1的模式B的坐标点P_B由所邻接的3点形成8个正三角形。然后，如图6所示，激光照射源203以由坐标点P_B形成的8个正三角形的重心G_B位于将球状靶202作为中心的从正八面体S₁的各个面心的中心的延长线上，并且，由坐标点P_A形成的6个正方形的重心G_A位于从正八面体S₁的各个顶点的中心的延长线上的方式配置。

再有，表2中，表示在设定为照射配位数N_B＝24的情况下由照射配位决定装置1导出的能量线的最适合照射配位的坐标。适用能量线的照射配位数＝24的核聚变装置与核聚变装置201的情况相同，激光照射源被设置于相当于在假想为球状靶位于球面S_o的中心的情况下的24个地方的最适合照射配位的位置。

[表2]

另外，以下，从别的观点出发表示由表1、2所示的照射配位决定装置1所导出的最适合照射配位的坐标、以及在设定为照射配位数N_B＝72的情况下由照射配位决定装置1所导出的最适合照射配位的坐标。

在照射配位数N_B＝24的情况下，通过相对于下一个表3所示的数据应用以下式：

θ_i+4m+8k＝(-1)^mθ_i+180m，

φ_i+4m+8k＝(-1)^mφ_i+95.6192m+120k，

i＝1，2，3，4；m＝0，1；k＝0，1，2

而获得的坐标(θ，φ)是由照射配位决定装置1所导出的最适合照射配位的坐标。

[表3]

另外，在照射配位数N_B＝48的情况下，通过相对于表3所示的数据应用以下式：

θ_i+6m+12k＝(-1)^mθ_i+180m，

φ_i+6m+12k＝(-1)^mφ_i+37.2604m+90k，

i＝1，2，……，6；m＝0，1；k＝0，1，2，3

而获得的坐标(θ，φ)是由照射配位决定装置1所导出的最适合照射配位的坐标。

再有，在照射配位数N_B＝72的情况下，通过相对于表3所示的数据应用以下式：

θ_i+7m+14k＝(-1)^mθ_i+180m，

φ_i+7m+14k＝(-1)^mφ_i+88.8328m +72k，

i＝1，2，……，7；m＝0，1；k＝0，1，2，3，4，

(θ₇₁，φ₇₁)＝(0，0)，(θ₇₂，φ₇₂)＝(180，0)

而获得的坐标(θ，φ)是由照射配位决定装置1所导出的最适合照射配位的坐标。

根据以上所说明的照射配位决定方法以及照射配位决定装置1，由信息处理装置30假想性地将电荷Q_i配置于球面S_o上的照射配位数N_B的初始坐标，该电荷Q_i的坐标r_i按照时间序列进行解析，根据电荷Q_i的电势能的总和E_p稳定化了的时间点的坐标r_i，导出使核聚变靶配置于球面S_o的中心的时候的能量线的照射配位。根据使用该照射配位决定装置1制造的核聚变装置，与现有相比较，可以以激光的少配位数，提高相对于核聚变燃料的激光的照射强度的一样性。

图7是表示本实施方式中的核聚变装置的照射均匀性的模拟结果的图表。在同图中，横轴的所谓功率非一样性，表示在多个配位的激光之间的强度差的程度，纵轴的所谓照射均匀性，表示用其平均值除球面S_o上的激光照射强度的标准偏差的值。另外，特性C₁表示本实施方式中的照射配位数N_B＝48的情况，特性C₂表示本实施方式中的照射配位数N_B＝24的情况。另一方面，特性C₃表示现有装置中的照射配位数60的情况(OMEGA 60，University of Rochester-Laboratory for LaserEnergetics)，特性C₄表示现有装置中的照射配位数24的情况(OMEGA24，University of Rochester-Laboratory for Laser Energetics)。根据这些结果可知，根据本实施方式，能够以与现有相同或者少的照射配位数谋求照射均匀性的提高。

再有，可以确认在由本实施方式的照射配位决定方法以及照射配位决定装置1获得的激光的照射配位中，在照射配位数N_B大于20的情况下，一概不存在将球面S_o的中心作为基准而相对的激光束。因此，能够避免由起因于相对的激光源的损伤而引起的性能劣化。

再有，在本实施方式中，因为判定电荷Q_i的电势能的总和E_p的时间变化是否为阈值Th_p以下，所以在有限的运算能力以及运算时间的范围内能够有效地导出提高了激光照射的一样性的照射配位。

另外，根据使用照射配位决定方法以及照射配位决定装置1制造的核聚变装置，因为提高了相对于核聚变靶的能量线的照射强度的一样性，所以能够稳定地产生惯性核聚变。

在此，优选，在电势评价步骤中，判定时间点上的规定数目的电荷的电势能的总和的时间变化是否为规定值以下，或者，电势评价单元判定时间点上的规定数目的电荷的电势能的总和的时间变化是否为规定值以下。在此情况下，能够有效地导出提高了能量线照射的一样性的照射配位。

产业上的利用可能性

本发明能够将决定相对于核聚变燃料的能量线的照射配位的核聚变照射配位决定方法、核聚变照射配位决定装置以及使用其制造的核聚变装置作为使用用途，从而有效地提高所照射的能量线的一样性。