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ザ・ 欧州トーラス共同研究施設 (JET)1991年の磁場核融合実験

核融合力 の提案された形式です 発電 それは生成します 電気 からの熱を使用して 核融合反応。核融合プロセスでは、2つのライター 原子核 エネルギーを放出しながら、結合してより重い原子核を形成します。このエネルギーを利用するように設計されたデバイスは、 核融合炉.

核融合プロセスには、燃料と十分な限られた環境が必要です 温度, 圧力、および作成するための閉じ込め時間 プラズマ 融合が起こる可能性があります。発電システムをもたらすこれらの数字の組み合わせは、 ローソン基準。星では、最も一般的な燃料は 水素、および 重力 核融合エネルギーの生産に必要な条件に達する非常に長い閉じ込め時間を提供します。提案されている核融合炉は一般的に水素を使用します 同位体 といった 重水素 そして トリチウム、水素よりも反応しやすく、極端でない条件でローソン基準の要件に到達できるようにします。ほとんどの設計は、燃料を数千万度に加熱することを目的としています。これは、設計を成功させる上で大きな課題となります。

動力源として、核融合には多くの利点があると期待されています 核分裂。これらには削減が含まれます 放射能 稼働中で、少し高レベル 核廃棄物、十分な燃料供給、および安全性の向上。ただし、温度、圧力、および持続時間の必要な組み合わせは、実用的かつ経済的な方法で作成するのが難しいことが証明されています。核融合炉の研究は1940年代に始まりましたが、これまでのところ、電力入力よりも多くの核融合出力を生成する設計はなく、目的を達成できませんでした。[1] 一般的な反応に影響を与える2番目の問題は管理です 中性子 反応中に放出されるもので、時間の経過とともに 劣化する 反応チャンバー内で使用される多くの一般的な材料。

核融合研究者は、さまざまな閉じ込めの概念を調査してきました。初期の重点は3つの主要なシステムにありました: Zピンチ, ステラレーター、および 磁気ミラー。現在の主要な設計は トカマク そして 慣性閉じ込め (ICF) レーザ。どちらのデザインも非常に大規模に研究されており、特に アイリスオーヤマ 手すり トイレ用 介護 サポート ホワイト TRT-64A フランスのトカマク、そして 国立点火施設 米国のレーザー。研究者はまた、より安価なアプローチを提供する可能性のある他の設計を研究しています。これらの選択肢の中で、 磁化標的核融合 そして 慣性静電閉じ込め、およびステラレーターの新しいバリエーション。

バックグラウンド

ザ・ 太陽、他のように 出演者は、天然原子炉です。 恒星内元素合成 エネルギーを放出することで、軽い要素を重い要素に変換します。
異なる結合エネルギー 原子核。 Iron-56が最も高く、最も安定しています。左側の核は融合する可能性があります。右側のものは分割される可能性があります。

機構

核融合反応は、2つ以上の原子核が十分に長く接近して 核力 それらを一緒に引っ張ると、 静電力 それらを押し離し、より重い核に融合させます。より軽い原子核の場合 鉄-56、反応は 発熱、エネルギーを放出します。鉄56より重い原子核の場合、反応は次のようになります。 吸熱、外部エネルギー源を必要とします。[2] したがって、鉄56よりも小さい核は融合する可能性が高く、鉄56より重い核は崩壊する可能性が高くなります。

強い力は短距離でのみ作用し、反発する静電力は長距離で作用します。核融合を起こすためには、燃料原子に十分なエネルギーを与えて、強い力がアクティブになるのに十分な距離で互いに接近する必要があります。の量 運動エネルギー 燃料原子を十分に近づけるために必要なものは、「クーロン障壁"。このエネルギーを提供する方法には、原子の速度を上げることが含まれます。 粒子加速器、またはそれらを高温に加熱します。

原子がその上に加熱されると イオン化 エネルギー、その 電子 剥ぎ取られ(イオン化され)、裸の核だけが残ります( イオン)。その結果、イオンと以前はそれらに付着していた電子の熱い雲ができます。この雲はとして知られています プラズマ。電荷が分離されているため、プラズマは導電性で磁気的に制御可能です。多くの核融合装置は、これを利用して、粒子が加熱されるときに粒子を制御します。

断面

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核融合反応速度は、最大になるまで温度とともに急速に増加し、その後徐々に低下します。重水素とトリチウムの核融合速度は、核融合エネルギーとして一般的に考えられている他の反応よりも低い温度(約70 keV、つまり8億ケルビン)と高い値でピークに達します。

反応の 断面σで表されるは、核融合反応が起こる確率の尺度です。これは、2つの原子核の相対速度に依存します。一般に相対速度が高いほど確率は高くなりますが、非常に高いエネルギーでは確率が再び低下し始めます。多くの核融合反応の断面積は、(主に1970年代に)を使用して測定されました。 粒子ビーム.[3]

プラズマでは、粒子速度は確率分布を使用して特徴付けることができます。プラズマが熱化されると、分布は次のようになります。 釣鐘曲線、または マクスウェル分布。この場合、速度分布全体の平均粒子断面積を使用すると便利です。これは、体積核融合率に入力されます。[4]

どこ:

  • 時間と体積ごとに、核融合によって作られたエネルギーです
  • n ボリューム内の粒子の種AまたはBの数密度です。
  • はその反応の断面積であり、2つの種のすべての速度の平均です。 v
  • その核融合反応によって放出されるエネルギーです。

ローソン基準

ザ・ ローソン基準 は、温度、密度、衝突速度、および燃料によってエネルギー出力がどのように変化するかを示しています。この方程式は、ジョン・ローソンによる高温プラズマでの核融合の分析の中心でした。ローソンは エネルギーバランス、 下に示された。[4]

  • η、 効率
  • 、エネルギー質量がプラズマを離れるときの伝導損失
  • 、エネルギーが光として残るときの放射損失
  • 、核融合からの正味電力
  • は、核融合反応によって生成されるエネルギーの割合です。

プラズマ雲はエネルギーを失います 伝導 そして 放射線.[4] 伝導は次の場合に発生します イオン, 電子、または ニュートラル 他の物質、通常はデバイスの表面に影響を与え、それらの運動エネルギーの一部を他の原子に伝達します。放射線は、雲を可視光線として光として残すエネルギーです。 UV, IR、または X線 スペクトル。放射は温度とともに増加します。核融合エネルギー技術はこれらの損失を克服しなければなりません。

三重積:密度、温度、時間

ザ・ ローソン基準 熱化された準中性 血漿は克服するための基本的な基準を満たさなければなりません 放射線 損失、 伝導 損失、および30パーセントの効率に達します。[4][5] これは「三重積」として知られるようになりました:プラズマ密度、温度、および閉じ込め時間。[6]

磁場閉じ込め設計では、密度は非常に低く、「良好な真空」のオーダーです。これは、有用な反応速度では、低密度を相殺するために温度と閉じ込め時間を増やす必要があることを意味します。融着関連の温度は、1970年代初頭に開発されたさまざまな加熱方法を使用して達成されており、2019年の時点で最新の機械で達成されています。、残りの主要な問題は閉じ込め時間です。強い磁場のプラズマは、多くの固有の不安定性の影響を受けます。これらは、有用な時間に達するために抑制されなければなりません。これを行う1つの方法は、単に反応器の容積を大きくすることです。これにより、 古典的な拡散。これが、 ギフト プレゼント お歳暮 クリスマス リキュール 1回のご注文で12本まで 梨果汁50%も入ってる! 国盛なしのお酒 720ml瓶 愛知県:中埜酒造(株) とても大きいです。

対照的に、慣性閉じ込めシステムは、高密度を介して有用な三重積値に近づき、閉じ込め時間がほとんどなくなります。 NIFのような最新の機械では、初期の凍結水素燃料の負荷は水よりも密度が低く、鉛の密度の約100倍に増加します。これらの条件では、核融合の速度が非常に速いため、反応によって生成された熱が燃料を吹き飛ばすのにかかるマイクロ秒単位で、燃料負荷全体が核融合を起こします。 NIFのような最新のICFマシンも非常に大きいですが、これは「ドライバー」設計の機能であり、融合プロセス自体の固有の設計基準ではありません。

エネルギー捕獲

エネルギー捕捉のために複数のアプローチが提案されています。最も簡単なのは、流体を加熱することです。ほとんどの設計は、中性子でそのエネルギーの多くを放出するD-T反応に集中しています。電気的に中性であるため、中性子は閉じ込めから逃れます。ほとんどのそのようなデザインでは、それは最終的にの厚い「毛布」に捕らえられます リチウム 炉心を囲む。高エネルギーの中性子が当たると、リチウムはトリチウムを生成し、それが原子炉にフィードバックされます。この反応のエネルギーはブランケットも加熱し、ブランケットは作動流体で積極的に冷却され、その流体は従来のターボ機械を駆動するために使用されます。

中性子を使用して、次のブランケットで追加の核分裂燃料を生成することも提案されています。 核廃棄物、として知られている概念 核分裂-フュージョンハイブリッド。これらのシステムでは、出力は核分裂イベントによって増強され、電力は従来の核分裂炉のようなシステムを使用して抽出されます。[7]

他の燃料、特にp-B反応を使用する設計では、荷電粒子の形ではるかに多くのエネルギーを放出します。これらの場合、これらの電荷の動きに基づく代替の電力抽出システムが可能です。 直接エネルギー変換 で開発されました ローレンスリバモア国立研究所 (LLNL)1980年代に核融合反応生成物を使用して電圧を維持する方法として。これにより、48%のエネルギー捕捉効率が実証されました。[8]

メソッド

プラズマの振る舞い

プラズマは、電気を通すイオン化ガスです。[9]:10 まとめて、それはを使用してモデル化されます 電磁流体力学、の組み合わせです ナビエ・ストークス方程式 流体の管理と マクスウェルの方程式 どのように管理する 磁気 そして 電界 振る舞う。[10] Fusionは、次のようないくつかのプラズマ特性を利用します。

  • 自己組織化プラズマは、電場と磁場を伝導します。その動きは、それを含むことができるフィールドを生成することができます。[11]
  • 反磁性プラズマ 独自の内部磁場を生成することができます。これにより、外部から加えられた磁場が拒絶され、反磁性になる可能性があります。[12]
  • 磁気ミラー プラズマが低密度から高密度のフィールドに移動するときにプラズマを反射する可能性があります。[13]:245

磁気閉じ込め

  • トカマク: 核融合エネルギーへの最もよく開発され、資金が豊富なアプローチ。この方法は、内部電流を使用して、磁気的に閉じ込められたトーラス内で高温プラズマを競争させます。完了すると、 STYRIA 冷感 モンステラ ひんやり ペットベッド オープンタイプ 犬 猫 ベッド 夏 夏用 洗える クール おしゃれ ペット フラット 世界最大のトカマクになります。 2012年4月の時点で、推定215の実験用トカマクが計画されているか、廃止されているか、現在世界中で稼働しています(35)。[14]
  • 球状トカマク: としても知られている 球形トーラス。球形のトカマクのバリエーション。
  • ステラレーター: 高温プラズマのねじれたリング。ステラレーターは外部磁石を使用して自然なねじれたプラズマ経路を作成しようとしますが、トカマクは内部電流を使用してそれらの磁場を作成します。ステラレーターはによって開発されました ライマンスピッツァー 1950年に、4つのデザインがあります:トルサトロン、ヘリオトロン、ヘリアス、ヘリアス。一例は ヴェンデルシュタイン7-X、2015年12月10日に最初のプラズマを生成したドイツの核融合装置。これは世界最大のステラレーターであり、[15] このタイプのデバイスの発電所への適合性を調査するために設計されました。
  • 内部リング: ステラレーターは外部磁石を使用してねじれたプラズマを生成しますが、トカマクはプラズマに誘導された電流を使用して生成します。いくつかのクラスの設計は、プラズマ内の導体を使用してこのねじれを提供します。初期の計算では、プラズマと導体のサポートとの衝突により、核融合反応が置き換わるよりも早くエネルギーが除去されることが示されていました。を含む現代のバリエーション 浮遊双極子実験(LDX)、リアクターチャンバー内で磁気浮上する固体超伝導トーラスを使用します。[16]
  • 磁気ミラー: によって開発された リチャード・F・ポスト とチーム LLNL 1960年代に。[17] 磁気ミラーは、高温プラズマを一列に前後に反射しました。バリエーションには、 タンデムミラー、磁気ボトルと biconic cusp.[18] 資金が豊富で大型の一連のミラーマシンは、1970年代と1980年代に、主に次の場所で米国政府によって製造されました。 ローレンスリバモア国立研究所.[19] しかし、1970年代の計算では、これらが商業的に有用である可能性は低いことが示されました。
  • でこぼこのトーラス: 多数の磁気ミラーがトロイダルリングに端から端まで配置されています。 1つから漏れる燃料イオンは、隣接するミラーに閉じ込められ、プラズマ圧力を損失することなく任意に高く上げることができます。実験施設、 ELMO Bでこぼこ Torusまたは EBT 1970年代にオークリッジ国立研究所で建設され、テストされました。
  • 逆転磁場配位: このデバイスは、自己組織化された準安定構造でプラズマをトラップします。ここで、粒子の動きは内部磁場を作り、それがそれ自体をトラップします。[20]
  • スフェロマック: 逆転磁場配位と非常によく似ており、プラズマ自体が生成する磁場を使用して作成された半安定プラズマ構造です。スフェロマックにはトロイダルフィールドとポロイダルフィールドの両方がありますが、逆転磁場配位にはトロイダルフィールドがありません。[21]
  • 逆磁場ピンチ: ここでは、プラズマがリング内を移動します。それは内部磁場を持っています。このリングの中心から外に出ると、磁場は方向を逆にします。

慣性閉じ込め

  • 間接ドライブ: この技術では、レーザーはとして知られている構造を加熱します ホーラム それはとても熱くなり、大量の放射を開始します X線 光。これらのX線は燃料の小さなペレットを加熱し、燃料を圧縮するために燃料を内側に崩壊させます。この方法を使用する最大のシステムは 国立点火施設、続いて密接に レーザーメガジュール.[22]
  • ダイレクトドライブ: レーザーが燃料ペレットに直接当たるICF技術のバリエーション。注目すべきダイレクトドライブ実験は、 レーザーエネルギー学研究所 そしてその GEKKO XII 施設。良好な爆縮は、対称的な内向きを生成するために、完全な形状に近い燃料ペレットを必要とします 衝撃波 高密度プラズマを生成します。
  • 高速点火: この方法では、2回のレーザーブラストを使用します。最初の爆風は核融合燃料を圧縮し、2番目の高エネルギーパルスがそれを点火します。 2019年現在 この技術は、多くの予期しない問題のために、エネルギー生産にはもはや好まれていません。[23]
  • 磁気慣性融合 または 磁化ライナー慣性融合: これは、レーザーパルスと磁気ピンチを組み合わせたものです。ピンチコミュニティはそれを磁化ライナー慣性核融合と呼び、ICFコミュニティはそれを磁気慣性核融合と呼びます。[24]
  • 重イオンビーム レーザービームの代わりにイオンビームで慣性閉じ込め核融合を行う提案もあります。[25] 主な違いは、ビームには質量による運動量があるのに対し、レーザーにはないということです。ただし、レーザーデバイスを使用して学んだことを考えると、イオンビームを空間的にも時間的にもICFの厳密なニーズに焦点を合わせることができるとは考えられません。
  • Zマシン ICFへのユニークなアプローチはzマシンです。これは、細いタングステンワイヤーを介して巨大な電流を送り、それらをX線温度に加熱します。間接駆動アプローチと同様に、これらのX線は燃料カプセルを圧縮します。

磁気または電気ピンチ

  • Zピンチ: この方法では、プラズマに強い電流(z方向)を流します。電流は、プラズマを核融合条件に絞る磁場を生成します。ピンチは、人為的制御核融合の最初の方法でした。[26][27] しかし、後に、zピンチには、圧縮と加熱を実際の融合には低すぎる値に制限する固有の不安定性があり、そのような最大のマシンである英国のものであることが発見されました。 ゼータ、この種の最後の主要な実験でした。 zピンチの問題の調査はトカマクの設計につながりました。デザインのその後のバリエーションは次のとおりです。 高密度プラズマフォーカス (DPF)。
  • シータピンチ: この方法では、プラズマカラムの外側にシータ方向に電流を流します。これにより、プラズマの周囲ではなく、プラズマの中心を流れる磁場が誘導されます。初期のシータピンチデバイスScyllaは、最初に核融合を決定的に実証しましたが、その後の研究では、発電に興味がないという固有の制限があることが実証されました。
  • せん断流安定化Zピンチ: での研究 ワシントン大学 Uri Shumlak教授の下で、Zピンチ原子炉の不安定性を滑らかにするためのせん断流安定化の使用を調査しました。これには、FuZEやZap Flow Z-Pinch実験用原子炉などのいくつかの実験機を使用して、ピンチの軸に沿って中性ガスを加速することが含まれます。[28] 2017年、ShumlakはZap Energyという民間企業を共同設立し、発電技術の商業化を試みました。[29][30][31]
  • スクリューピンチ: この方法では、シータとZピンチを組み合わせて安定性を向上させます。[32]

慣性静電閉じ込め

  • フューザー: この方法では、電場を使用してイオンを核融合条件に加熱します。機械は通常、2つの球形ケージ、アノード内部のカソード、真空内を使用します。これらのマシンは、その高さから、ネットパワーへの実行可能なアプローチとは見なされていません。 伝導 そして 放射線.[33] 損失。それらは、アマチュアがそれらを使用して原子を融合したことを構築するのに十分単純です。[34]
  • Polywell: この設計は、磁場閉じ込めと静電界を組み合わせて、 伝導 ケージによって生成された損失。[35]

その他

  • 磁化標的核融合: この方法は、磁場を使用して高温プラズマを閉じ込め、慣性を使用してそれを圧搾します。例としては LANL FRX-Lマシン、[36] ジェネラルフュージョン プラズマライナー実験。[37]
  • クラスターインパクトフュージョン 重水の微視的な液滴は、ターゲットまたは相互に高速で加速されます。ブルックヘブンの研究者は肯定的な結果を報告しましたが、後でさらなる実験によって反駁されました。液滴の汚染により、実際に融合効果が生じました。
  • 制御されていない: 核融合は、いわゆる水素爆弾を点火するために制御されていない核分裂爆発を使用して、人間によって開始されました。核融合力に関する初期の提案には、爆弾を使用して反応を開始することが含まれていました。も参照してください プロジェクトペース.
  • ビームフュージョン: 高エネルギー粒子のビームを別のビームまたはターゲットに向けて発射すると、核融合が発生します。これは、1970年代と1980年代に、高エネルギー核融合反応の断面積を研究するために使用されました。[3] ただし、ビームをコヒーレントに保つには、核融合から得られるよりもはるかに多くのエネルギーが必要になるため、ビームシステムを発電所に使用することはできません。
  • バブルフュージョン: これは、音響液体キャビテーション中に生成された、非常に大きな崩壊気泡の内部で発生するはずの核融合反応でした。[38] このアプローチは信用を失った。
  • 常温核融合: これは、室温またはその近くで発生する仮想的なタイプの核反応です。コールドフュージョンは信用を失い、次のような評判を得ています 病理学.[39]
  • ミューオン触媒核融合: このアプローチは置き換えます 電子二原子分子同位体水素ミューオン -同じものを持つはるかに重い粒子 電荷。それらのより大きな質量は、核が十分に接近する結果となり、 強い相互作用 融合が発生する可能性があります。[40] 現在、ミューオンは、ミューオン触媒核融合から得られるよりも多くのエネルギーを生成する必要があります。これが解決されない限り、ミューオン触媒核融合は発電には実用的ではありません。[41]

一般的なツール

一般的なツールは、核融合加熱、測定、および発電で一般的に受け入れられ、採用されているアプローチ、機器、およびメカニズムです。[42]

暖房

ガスを加熱して、溶融を開始するのに十分な高温のプラズマを形成します。多くの暖房スキームが検討されてきました。反陽子消滅では、理論的には、大量の核融合燃料に注入された量の反陽子が熱核反応を引き起こす可能性があります。宇宙船推進の方法としてのこの可能性は、 反物質起爆核パルス推進、で調査された ペンシルバニア州立大学 提案に関連して AIMStar 事業。

静電加熱では、電場が行うことができます 作業 帯電したイオンまたは電子に、それらを加熱します。[43] 磁気リコネクションでは、ボリューム内のプラズマが非常に密になると、そのボリュームの電磁特性が変化し始める可能性があります。これにより、2つの磁場が接続される可能性があります。これは磁気リコネクションとして知られています。再接続は、大量のエネルギーをプラズマに瞬時に放出し、急速に加熱するため、融合に役立ちます。磁場エネルギーの最大45%がイオンを加熱できます。[44][45]

磁気振動を使用して、磁気壁内に閉じ込められたプラズマを加熱するために、さまざまな電流を磁気コイルに供給することができます。[46]

磁気リコネクションでは、ボリューム内のプラズマが非常に密になると、そのボリュームの電磁特性が変化し始める可能性があります。これにより、2つの磁場が接続される可能性があります。これは磁気リコネクションとして知られています。再接続は、大量のエネルギーをプラズマに瞬時に放出し、急速に加熱するため、融合に役立ちます。磁場エネルギーの最大45%がイオンを加熱できます。[44][45]

中性粒子ビーム入射では、外部水素源が電場によってイオン化および加速されて帯電ビームを形成し、中性水素ガス源を介してプラズマに向かって照射されます。中間水素ガスの一部は、中性粒子ビームとの衝突によってプラズマに向かって加速されますが、中性粒子ビームは磁場の影響を受けないため、プラズマに入射します。プラズマ内に入ると、中性粒子ビームは衝突によってプラズマにエネルギーを伝達し、その結果、イオン化されて磁場に封じ込められ、1回の操作で原子炉の加熱と燃料補給の両方が行われます。荷電ビームの残りは、磁場によって冷却されたビームダンプに向けられます。[47]

高周波加熱では、プラズマに電波を当てて発振させます。これは基本的にと同じ概念です 電子レンジ。これは、 電子サイクロトロン共鳴加熱 または 誘電加熱.[48]

測定

多くの測定スキームが検討されてきました。フラックスループ技術では、ワイヤーのループが磁場に挿入されます。フィールドがループを通過すると、電流が流れます。電流が測定され、そのループを通る総磁束を見つけるために使用されます。これはで使用されています 国立コンパクトステラレーター実験,[49] インクルード ジェーン・アイルデール ピュア プレスト ベース レフィル SPF20 #ウォームシエナ パウダーファンデーション,[50] そしてその LDX マシン。また、プラズマ中に置かれた金属物体であるラングミュアプローブを使用することができる。電位がそれに適用され、正または負になります 電圧 周囲のプラズマに対して。金属は荷電粒子を集め、電流を流します。電圧が変化すると、電流も変化します。これは IV曲線。 IV曲線は、局所的なプラズマ密度、電位、および温度を決定するために使用できます。[51]

トムソン散乱では、プラズマから光が散乱します。この光を検出して、プラズマの挙動を再構築するために使用できます。この手法は、密度と温度を見つけるために使用できます。それは一般的です 慣性閉じ込め核融合,[52] トカマク,[53] そして フューザーズ。 ICFシステムでは、これは、ターゲットに隣接する金箔に2番目のビームを発射することによって実行できます。これにより、プラズマを散乱または横断するX線が生成されます。トカマクでは、これはミラーと検出器を使用して、平面全体(2次元)または直線(1次元)で光を反射することで実行できます。

中性子検出器は、重水素またはトリチウム核融合が中性子を生成するときにも使用できます。中性子は、検出可能な方法で周囲の物質と相互作用します。 いくつかのタイプの中性子検出器が存在します これは、核融合反応中に中性子が生成される速度を記録することができます。それらは成功を実証するための不可欠なツールです。[54][55]

X線検出器を使用できます。すべてのプラズマは、光を放出することによってエネルギーを失います。これは、可視光線、IR、UV、X線の全スペクトルをカバーします。これは、何らかの理由でパーティクルが速度を変更するたびに発生します。[56] 理由が磁場による偏向である場合、放射は サイクロトロン 低速での放射線と シンクロトロン 高速での放射線。理由が別の粒子による偏向である場合、プラズマはX線を放射します。 制動放射 放射線。 X線は、そのエネルギーに基づいて、ハードとソフトの両方で呼ばれます。[57]

発電

提案されている 蒸気タービン 核融合室からの熱を電気に変換するために使用されます。[58] 熱はに伝達されます 作動流体 それは蒸気に変わり、発電機を駆動します。

中性子ブランケット 重水素とトリチウムの核融合は生成します 中性子。これは技術によって異なります(NIFには1秒あたり3E14中性子の記録があります[59] 典型的な間 フューザー 1秒あたり1E5〜1E9の中性子を生成します)。使用済み核分裂燃料を再生する方法としてこれらの中性子を使用することが提案されています[60] または液体からなるブリーダーブランケットを使用してトリチウムを繁殖させる方法として リチウム または、より最近の原子炉設計のように、次のような材料から製造されたリチウム含有セラミック小石からなるヘリウム冷却ペブルベッド チタン酸リチウム, オルトケイ酸リチウム またはこれらの相の混合物。[61]

直接変換 これは、 運動エネルギー 粒子の 電圧.[62] それは最初に提案されました リチャード・F・ポスト と組み合わせて 磁気ミラー、60年代後半。それはまた提案されました 逆転磁場配位。このプロセスはプラズマを受け取り、それを膨張させ、融合生成物のランダムエネルギーの大部分を方向付けられた運動に変換します。次に、粒子はさまざまな大きな電位で電極上に収集されます。この方法は、48パーセントの実験効率を示しています。[63]

監禁

が占めるパラメータ空間 慣性核融合エネルギー そして 磁気核融合エネルギー 1990年代半ばの時点でのデバイス。高ゲインでの熱核点火を可能にする体制は、プロットの右上隅の近くにあります。

閉じ込めとは、核融合を起こすのに十分な時間、プラズマを高密度で高温に保つために必要なすべての条件を指します。ここにいくつかの一般的な原則があります。

  • 平衡:プラズマに作用する力は、封じ込めのためにバランスをとる必要があります。 1つの例外は 慣性閉じ込め、関連する物理学が分解時間よりも速く発生する必要がある場合。
  • 安定:プラズマは、外乱がプラズマの分解につながらないように構築する必要があります。
  • 輸送または 伝導:材料の損失は十分に遅くなければなりません。[4] プラズマはエネルギーを運び去るので、材料が急速に失われると、マシンのパワーバランスが崩れます。材料は、さまざまな地域への輸送によって失われる可能性があります。 伝導 固体または液体を介して。

自立した核融合を生成するには、反応によって放出されたエネルギー(または少なくともその一部)を使用して、新しい反応物の核を加熱し、核融合反応も受けるのに十分な時間熱く保つ必要があります。

制限なし

最初の人為的な大規模核融合反応は、 水素爆弾, アイビーマイク、1952年。 ペース プロジェクトでは、かつて、水素爆弾を洞窟で爆発させ、発生した熱から発電することで動力源として使用することが提案されていましたが、そのような発電所はこれまで建設される可能性はほとんどありません。

磁気閉じ込め

磁気ミラー

磁気閉じ込めの一例は、 磁気ミラー 効果。粒子が力線をたどり、より高い電界強度の領域に入ると、粒子は反射する可能性があります。この効果を使おうとするいくつかのデバイスがあります。最も有名なのは磁気ミラーマシンでした。これは、で構築された一連の大型で高価なデバイスでした。 ローレンスリバモア国立研究所 1960年代から1980年代半ばまで。[64] 他のいくつかの例には、磁気ボトルと バイコニックカスプ.[65] ミラーマシンは真っ直ぐであるため、リング形状に比べていくつかの利点がありました。第一に、ミラーは構築と保守が容易であり、第二に 直接変換 エネルギーキャプチャは、実装が簡単でした。[8] 実験で達成された閉じ込めが不十分であったため、ポリウェル設計を除いて、このアプローチはほとんど放棄されました。[66]

磁気ループ

磁気閉じ込めの別の例は、力線を円状に、またはより一般的には入れ子状に曲げて戻すことです。 トロイダル 表面。このタイプの最も高度に開発されたシステムは トカマク、 とともに ステラレーター 次に進んでいるのは、 逆磁場ピンチ. (福島県)【2本セット】1800ml 大七酒造 大七辛口生もと 本醸造 箱無 常温発送【送料無料 クール品同梱不可】 大七酒造の日本酒、特に 逆転磁場配位 そしてその スフェロマック、トロイダル磁性表面の利点と 単連結 (非トロイダル)マシン。機械的に単純で、閉じ込め領域が小さくなります。

慣性閉じ込め

慣性閉じ込め プラズマを加熱して閉じ込めるために急速に爆縮するシェルを使用することです。シェルは、直接レーザーブラスト(直接駆動)または二次X線ブラスト(間接駆動)または重イオンビームを使用して爆縮されます。理論的には、レーザーを使用した融合は、1秒間に数回爆発する燃料の小さなペレットを使用して行われます。爆発を誘発するには、ペレットをエネルギービームで固体密度の約30倍に圧縮する必要があります。ダイレクトドライブを使用する場合(ビームはペレットに直接焦点を合わせる)、原理的には非常に効率的ですが、実際には必要な均一性を得るのは困難です。[67]:19-20 別のアプローチである間接駆動では、ビームを使用してシェルを加熱し、シェルが放射します X線、次にペレットを内破します。ビームは一般的にレーザービームですが、重くて軽いです イオンビーム そして電子ビームはすべて調査されました。[67]:182-193

静電閉じ込め

もあります 静電閉じ込め核融合 デバイス。これらのデバイスは閉じ込めます イオン 静電界を使用します。最もよく知られているのは フューザー。このデバイスは、アノードワイヤーケージ内にカソードを備えています。正イオンは負の内部ケージに向かって飛んでいき、その過程で電界によって加熱されます。内側のケージを見逃すと、衝突して融合する可能性があります。イオンは通常、カソードに当たりますが、非常に高い値を生成します 伝導 損失。また、融合率 フューザーズ 光放射の形でのエネルギー損失など、競合する物理的影響のために非常に低いです。[68] 非中性雲を使用してフィールドを生成することにより、ケージに関連する問題を回避するための設計が提案されています。これらには、プラズマ振動装置が含まれます。[69] a 磁気シールドグリッドペニングトラップ【金封】 伊予・結納工房きわみ 手漉風 耳付金封 白赤 玉串料 2008,[70] そしてF1カソードドライバーのコンセプト。[71] ただし、この技術は比較的未成熟であり、科学的および工学的な問題が数多く残っています。

燃料

粒子ビームをターゲットに向けて発射することにより、多くの核融合反応がテストされましたが、電力と見なされる燃料はすべて水素の同位体のような軽い元素でした。軽水素, 重水素、および トリチウム.[3] 重水素と ヘリウム3 反応にはヘリウム3が必要です。ヘリウム3は地球上で非常に不足しているため、ヘリウムの同位体である必要があります。 地球外で採掘された または他の核反応によって生成されます。最後に、研究者は、副反応は可能ですが、直接中性子を生成しないため、プロチウムとホウ素-11反応を実行することを望んでいます。[72]

重水素、トリチウム

D-T反応の図

最も低いエネルギーでの最も簡単な核反応は次のとおりです。

2
1
D
+ 3
1
T
4
2

(3.5 MeV)+ 1
0
n
(14.1 MeV)

この反応は、通常、便利な中性子源として、研究、産業、軍事用途で一般的です。 重水素 自然に発生する アイソトープ 水素のと一般的に利用可能です。水素同位体の質量比が大きいため、困難な場合に比べて分離が容易です。 ウラン濃縮 処理する。 トリチウム 水素の天然同位体ですが、短いので 人生の半分 12。32年の間に、見つけ、保管し、生産するのは難しく、高価です。したがって、重水素-トリチウム燃料サイクルには、 育種トリチウム から リチウム 次のいずれかの反応を使用します。

1
0
n
+ 6
3

3
1
T
+ 4
2

1
0
n
+ 7
3

3
1
T
+ 4
2

+ 1
0
n

反応物中性子は、上に示したD-T核融合反応によって供給され、エネルギーの収量が最も高いものです。との反応 6Liは 発熱、原子炉に小さなエネルギーゲインを提供します。との反応 7Liは 吸熱 しかし、中性子を消費しません。吸収によって失われた中性子を他の元素で置き換えるには、少なくともいくつかの中性子増倍反応が必要です。主要な候補中性子増倍材料はベリリウムと鉛ですが、 7上記のLi反応は、中性子集団を高く保つのにも役立ちます。天然リチウムは主に 7Liしかし、これはトリチウム生成が少ない 断面 に比べ 6Liなので、ほとんどの原子炉設計では、濃縮されたブリーダーブランケットを使用しています 6李。

いくつかの欠点は、一般的にD-T核融合パワーに起因します。

  1. それはかなりの量の中性子を生成し、その結果、 中性子活性化 反応器材料の。[73]:242
  2. 核融合エネルギー収量の約20%のみが荷電粒子の形で現れ、残りは中性子によって運び去られます。これは、直接エネルギー変換技術が適用される範囲を制限します。[74]
  3. 放射性同位元素トリチウムの取り扱いが必要です。水素と同様に、トリチウムは封じ込めが難しく、原子炉からある程度漏れる可能性があります。いくつかの推定は、これが放射能のかなり大きな環境放出を表すであろうことを示唆しています。[75]

ザ・ 中性子束 商用のD-T核融合炉で予想されるのは、現在の核分裂発電用原子炉の約100倍であり、 マテリアルデザイン。での一連のD-Tテストの後 ジェット、真空容器は十分に放射性であったため、試験の翌年には遠隔操作が必要でした。[76]

生産環境では、中性子はと反応するために使用されます リチウム より多くのトリチウムを生成するために、リチウムセラミック小石または液体リチウムを含むブリーダーブランケットのコンテキストで。これはまた、リチウムに中性子のエネルギーを蓄積し、それが電気生産を駆動するために転送されます。リチウム中性子吸収反応は、原子炉の外側部分を中性子束から保護します。新しい設計、特に高度なトカマクも、設計の重要な要素として炉心内のリチウムを使用しています。プラズマはリチウムと直接相互作用し、「リサイクル」として知られる問題を防ぎます。この設計の利点は、 リチウムトカマク実験.

重水素

さまざまなイオン衝突エネルギーでの重水素核融合断面積(平方メートル)。

これは2番目に簡単な核融合反応であり、2つの重水素核を融合します。反応には、ほぼ等しい確率で発生する2つの分岐があります。

D + D→T+ 1H
D + D3+ n

この反応は研究でも一般的です。この反応を開始するための最適なエネルギーは15keVであり、D-T反応の最適なエネルギーよりわずかに高いだけです。最初の分岐は中性子を生成しませんが、トリチウムを生成するため、トリチウムまたはリチウムの入力を必要としない場合でも、D-Dリアクターは完全にトリチウムを含まないわけではありません。トリトンをすばやく除去できない限り、生成されたトリチウムのほとんどは原子炉を出る前に燃焼され、トリチウムの取り扱いが減りますが、より多くの中性子が生成され、その一部は非常にエネルギーがあります。 2番目の分岐からの中性子のエネルギーはわずか2.45MeV(0.393 pJ)ですが、D-T反応からの中性子のエネルギーは14.1 MeV(2.26 pJ)であるため、同位体生成と材料の損傷の範囲が広がります。トリトンが素早く除去され、 3彼が反応すると、燃料サイクルは「トリチウム抑制融合」と呼ばれます。[77] 除去されたトリチウムは崩壊して 3彼は12。5年の半減期を持っています。リサイクルすることにより 3彼はトリチウムが崩壊して核融合炉に戻ることで生成されました。核融合炉は、14.1 MeV(2.26 pJ)の高速中性子に耐性のある材料を必要としません。

トリチウムが完全に燃焼すると仮定すると、中性子によって運ばれる核融合エネルギーの割合の減少は約18%にすぎないため、D-D燃料サイクルの主な利点はトリチウムの増殖が不要になることです。他の利点は、リチウム資源からの独立性とやや柔らかい中性子スペクトルです。 D-Tと比較したD-Dの欠点は、(特定の圧力での)エネルギー閉じ込め時間が30倍長くなければならず、(特定の圧力と体積で)生成される電力が68分の1になることです。[要出典]

トリチウムの完全な除去とリサイクルを想定 3彼は、核融合エネルギーのわずか6%が中性子によって運ばれています。トリチウムが抑制されたD-D核融合には、D-Tと比較して10倍長いエネルギー閉じ込めと、2倍高いプラズマ温度が必要です。[78]

フランスのMAST原子炉の科学者たちは、トリチウムで反応が開始されると、重水素燃料が反応を維持しやすくなると理論付けています。

重水素、ヘリウム-3

制御された核融合パワーへの第2世代のアプローチには、組み合わせが含まれます ヘリウム3 (3彼)と 重水素 (2H):

D + 34+ 1H

この反応により、ヘリウム4核が生成されます(4彼)と高エネルギープロトン。 p-と同じように11B 核融合 燃料サイクルでは、反応エネルギーの大部分が荷電粒子として放出され、 アクティベーション 原子炉ハウジングの、そして潜在的により効率的なエネルギーハーベスティングを可能にする(いくつかの投機的技術のいずれかを介して)。[79] 実際には、D-D副反応はかなりの数の中性子を生成し、p-11Bは核融合の好ましいサイクルです。[79]

プロトン、ホウ素-11

材料科学の問題と非拡散の懸念の両方が大幅に減少します 核融合 達成することができます。理論的には、最も反応性の高いa-neutronicフュージョン燃料は 3彼。ただし、妥当な量の 3彼は月や天王星や土星の大気中での大規模な採掘作業を必要とし、それは他のかなりの技術的困難を引き起こします。したがって、そのような核融合のための最も有望な候補燃料は、容易に入手可能な水素-1を核融合することです(すなわち、 プロトン)および ボロン。それらの核融合は中性子を放出しませんが、エネルギーを直接電力に変換できるエネルギーの高い荷電アルファ(ヘリウム)粒子を生成します。

p + 11B→34

合理的な仮定の下では、副反応は核融合力の約0.1%だけが中性子によって運ばれるという結果になります。[80]:177-182 つまり、 中性子散乱 はエネルギー伝達に使用されず、材料の活性化は数千分の1に減少します。残念ながら、この反応の最適温度は123keVです。[81] は純粋な水素反応の約10倍であり、エネルギー閉じ込めはD-T反応に必要なエネルギー閉じ込めの500倍でなければなりません。加えて 電力密度 はD-Tの2500分の1ですが、燃料の単位質量あたり、これは核分裂炉の場合よりもかなり高くなっています。

トカマクやレーザーペレット核融合などの従来の核融合アプローチの閉じ込め特性はわずかであるため、核融合のほとんどの提案は、 Polywell そしてその 高密度プラズマフォーカス。 2013年、フランスのパライソーにあるエコールポリテクニークのChristine Labauneが率いる研究チームは、陽子-ホウ素核融合の新しい核融合率の記録を報告しました。ホウ素実験。[82][83]

材料の選択

すべての原子炉の構造材料の安定性は重要な問題です。[84] 核融合炉で経験される高温と中性子衝撃に耐えることができる材料は、核融合発電システムの開発の成功の鍵と考えられています。[85][84] 主な問題は、プラズマによって生成される条件、壁面の中性子劣化の問題、したがってプラズマ-壁面条件の問題です。[86][87] さらに、水素透過性の低減は水素リサイクルにとって重要であると見なされています[88] トリチウム在庫を管理します。[89] バルク水素の溶解度と拡散係数が最も低い材料は、安定した透過バリアの最適な候補を提供します。タングステンやベリリウムなどのいくつかの特定の純金属を除いて、炭化物、高密度酸化物、窒化物が調査されています。研究により、十分に接着された完全なバリアを調製するためのコーティング技術は、材料の選択と同等に重要であることが明らかになっています。最も魅力的な技術は、酸化のみによって広告層が形成される技術です。別の方法では、強い磁場と電場のある特定のガス環境を利用します。達成されたバリア性能の評価は、追加の課題を表しています。従来のコーティングされた膜のガス透過率法は、水素透過バリア(HPB)効率を決定するための最も信頼できるオプションであり続けています。[89]

プラズマ封じ込めに関する考慮事項

より小さなプラズマ生成スケールでさえ、封じ込め装置の材料は物質とエネルギーで激しく吹き飛ばされます。プラズマ封じ込めの設計では、以下を考慮する必要があります。

アプローチに応じて、これらの効果は通常よりも高い場合と低い場合があります 核分裂 のような原子炉 加圧水型原子炉 (PWR)。[90] ある見積もりでは、 放射線 典型的なPWRの100倍で。[要出典] これらの基本的な条件に耐えられる材料を選択または開発する必要があります。ただし、アプローチによっては、次のような他の考慮事項がある場合があります。 電気伝導性, 透磁率、および機械的強度。主成分や不純物が長寿命の放射性廃棄物をもたらさない材料も必要です。[84]

プラズマ壁の表面状態の耐久性

長期間使用する場合、壁の各原子は中性子に当たって、材料が交換される前に約100回変位すると予想されます。高エネルギー中性子は、さまざまな核反応によって水素とヘリウムを生成します。これらの反応は、粒界で気泡を形成し、膨潤、膨れ、または脆化を引き起こす傾向があります。[90]

材料の選択

低-のいずれかを選択できますZ のような材料 黒鉛 または ベリリウム、または高-Z 材料、通常 タングステンモリブデン 2番目の選択肢として。[89] 液体金属(リチウム、ガリウム、スズ)の使用も提案されています。たとえば、固体基板上に10 m / sで流れる1〜5mmの厚さのストリームを注入します。[要出典]

グラファイトを使用する場合、物理的および化学的による総侵食速度 スパッタリング 年間数メートルになるので、スパッタされた材料の再堆積に頼らなければなりません。再堆積の場所は、スパッタリングの場所と正確に一致しないため、法外な侵食速度が残る可能性があります。さらに大きな問題は、再堆積したグラファイトと共堆積したトリチウムです。グラファイト層のトリチウムインベントリーと原子炉内のほこりはすぐに数キログラムに達する可能性があり、これは資源の浪費と事故の場合の深刻な放射線障害を表しています。核融合コミュニティのコンセンサスは、グラファイトは核融合実験にとって非常に魅力的な材料であるが、主要なものにはなり得ないということのようです。 プラズマ対向材料 (PFM)商用原子炉で。[84]

プラズマ燃料イオンによるタングステンのスパッタリング速度は、炭素のスパッタリング速度よりも桁違いに小さく、トリチウムは再堆積したタングステンにほとんど組み込まれていないため、これはより魅力的な選択肢になります。一方、プラズマ中のタングステン不純物は炭素不純物よりもはるかに損傷が大きく、タングステンの自己スパッタリングが高くなる可能性があるため、タングステンと接触しているプラ​​ズマが熱くなりすぎないようにする必要があります(少数数百eVではなく数十eV)。タングステンには、渦電流や異常なイベントでの融解、およびいくつかの放射線の問題という点でも不利な点があります。[84]

安全と環境

事故の可能性

とは異なり 核分裂、核融合は、生成される正味のエネルギーに対して、非常に正確で制御された温度、圧力、および磁場のパラメーターを必要とします。原子炉が損傷したり、必要な制御が少しでも失われたりすると、核融合反応と発熱は急速に停止します。[91] さらに、核融合炉には少量の燃料しか含まれておらず、数分、場合によってはマイクロ秒の間「燃焼」するのに十分です。積極的に燃料を補給しない限り、反応はすぐに終了します。したがって、核融合炉は壊滅的なメルトダウンの影響を受けないと考えられています。[92]

同様の理由で、核融合炉では暴走反応は起こり得ません。ザ・ プラズマ は最適な条件で燃焼し、大きな変化があると反応が停止します。反応プロセスは非常にデリケートなため、このレベルの安全性は本質的です。核融合発電所のプラズマは1,000立方メートル(35,000立方フィート)以上の体積が予想されますが、プラズマ密度は低く、通常、使用中の燃料は数グラムしか含まれていません。[92] 燃料供給が閉じている場合、反応は数秒以内に停止します。それに比べて、核分裂炉には通常、数ヶ月または数年にわたって十分な燃料が充填されており、反応を継続するために追加の燃料は必要ありません。メルトダウンの可能性を引き起こすのは、この大量の燃料です。核融合炉にはこのようなものはありません。[93]

磁気的アプローチでは、原子炉構造によって機械的に所定の位置に保持されているコイルに強い磁場が発生します。この構造が故障すると、この張力が解放され、磁石が外側に「爆発」する可能性があります。このイベントの重大度は、他の労働災害または MRI 機械の急冷/爆発、およびで効果的に停止することができます 格納容器 既存の(核分裂)原子力発電機で使用されているものと同様です。レーザー駆動の慣性アプローチは、反応チャンバーのサイズが大きくなるため、一般的に応力が低くなります。反応チャンバーの故障は可能ですが、燃料の供給を停止するだけで、あらゆる種類の壊滅的な故障を防ぐことができます。[94]

ほとんどの原子炉設計は、冷却材として、また反応からの漂遊中性子を次のように変換する方法として液体水素に依存しています。 トリチウム、燃料として原子炉にフィードバックされます。水素は可燃性が高く、火災の場合、現場に貯蔵されていた水素が燃え尽きて逃げる可能性があります。この場合、水素のトリチウム含有量が大気中に放出され、放射線のリスクが生じます。計算によると、一般的な発電所のトリチウムとその他の放射性ガスの総量は、約1キログラム(2.2ポンド)と非常に少ないため、発電所まで吹き飛ばすまでに法的に許容できる限界まで希釈されていたでしょう。 境界フェンス.[95]

放射能の局所放出やスタッフの負傷を含む小さな労働災害の可能性は、核分裂と比較して小さいと推定されています。それらには、リチウムまたはトリチウムの偶発的な放出、または原子炉自体の廃止された放射性成分の誤った取り扱いが含まれます。[94]

マグネットクエンチ

クエンチは、超電導コイルの一部が正常(抵抗性)状態。これは、磁石内部の磁場が大きすぎる、磁場の変化率が大きすぎるために発生する可能性があります(原因 渦電流 そして結果として 暖房 銅サポートマトリックス内)、または2つの組み合わせ。

ごくまれに、磁石の欠陥が急冷を引き起こす可能性があります。これが発生すると、その特定のスポットは急速に影響を受けます ジュール熱 巨大な流れから、それは 温度 周辺地域の。これにより、これらの領域も通常の状態になり、連鎖反応でより多くの加熱が発生します。磁石全体が急速に正常になります(超電導コイルのサイズによっては、数秒かかる場合があります)。これは、磁場のエネルギーが熱に変換されるときに大きな衝撃を伴い、急速に沸騰します。 極低温 体液。電流が急激に減少すると、キロボルトの誘導電圧スパイクとアークが発生する可能性があります。磁石が恒久的に損傷することはまれですが、局所的な加熱、高電圧、または大きな機械的力によってコンポーネントが損傷する可能性があります。

実際には、磁石には通常、クエンチの開始が検出されたときに電流を停止または制限するための安全装置があります。大きな磁石が急冷されると、極低温流体の蒸発によって形成される不活性蒸気が、かなりの量を示す可能性があります。 窒息 通気性のある空気を排出することによるオペレーターへの危険。

の超伝導磁石の大部分 CERN大型ハドロン衝突型加速器 2008年の始動作業中に予期せず急冷され、多数の磁石の交換が必要になりました。[96] 潜在的に破壊的なクエンチを軽減するために、LHCを形成する超伝導磁石には、複雑なクエンチ保護システムによってクエンチイベントが検出されるとアクティブになる高速ランピングヒーターが装備されています。双極子曲げ磁石は直列に接続されているため、各電源回路には154個の個別の磁石が含まれ、クエンチイベントが発生した場合、これらの磁石の合計蓄積エネルギー全体を一度にダンプする必要があります。このエネルギーは、抵抗加熱のために数秒で数百℃まで加熱される金属の巨大なブロックであるダンプに転送されます。望ましくないが、磁石クエンチは、粒子加速器の動作中の「かなり日常的なイベント」である。[97]

排水

核融合反応の天然物は少量です ヘリウム、これは生命に完全に無害です。さらに懸念されるのは トリチウム、他の水素同位体と同様に、完全に保持することは困難です。通常の操作中、ある程度のトリチウムが継続的に放出されます。[94]

トリチウムは揮発性で生物学的に活性ですが、トリチウムの半減期が短く(12。32年)、崩壊エネルギーが非常に低い(〜14.95 keV)ため、放出による健康リスクはほとんどの放射能汚染物質よりもはるかに低くなります。ではない 生体内蓄積 (代わりに、水として体から循環され、 生物学的半減期 7〜14日の)。[98] ITERには、トリチウムの全封じ込め設備が組み込まれています。[99]

廃棄物管理

一般的に、核融合炉は核分裂炉よりもはるかに少ない放射性物質を生成し、それが生成する物質は生物学的損傷が少なく、放射能は安全で長期的な既存の工学的能力の範囲内である期間内に「燃え尽きる」廃棄物貯蔵。具体的には、 核融合,[100][101] 原子炉内の高エネルギー中性子の大きなフラックスは、構造材料を放射性にします。操業停止時の放射能インベントリーは核分裂炉のそれに匹敵するかもしれませんが、重要な違いがあります。の半減期 放射性同位元素 核融合によって生成されるものは核分裂から生成されるものよりも少ない傾向があるため、在庫はより急速に減少します。廃棄物が何千年も放射性のままである核分裂炉とは異なり、核融合炉の放射性物質のほとんどは炉心自体であり、約50年間は危険であり、さらに100年間は低レベルの廃棄物です。[102] この廃棄物は、核分裂廃棄物よりも50年間でかなり放射性が高くなりますが、廃棄物管理がかなり簡単であるため、半減期が非常に短いため、プロセスは非常に魅力的です。 500年までに、この材料は同じ放射線毒性を持つようになります 石炭灰.[95]

さらに、核融合炉で使用される材料の選択は、核融合設計よりも制約が少なく、特定の材料に多くの材料が必要です。 中性子断面積。これにより、核融合炉は、放射性になりにくい材料である「低放射能」として特別に選択された材料を使用して設計することができます。 バナジウムたとえば、放射能はよりもはるかに低くなります ステンレス鋼.[103] カーボンファイバー 材料はまた、活性が低く、強くて軽いため、磁場を必要としないレーザー慣性反応器の有望な研究分野です。[104]

核拡散

核融合エネルギーは核技術を使用していますが、核兵器との重複は限られています。大量の トリチウム 核融合発電所で生産できます。トリチウムはのトリガーで使用されます 水素爆弾 そして現代では ブースト型核分裂兵器、しかしそれは核分裂によっても生成することができます。核融合炉からの高エネルギー中性子は、兵器級の繁殖に使用できます プルトニウム または ウラン 原子爆弾の場合(たとえば、Uの核変換による)238 Puへ239、またはTh232 Uへ233).

2011年に実施された調査では、次の3つのシナリオのリスクが評価されました。[105]

  • 小規模フュージョンステーションでの使用:濃縮と比較して、はるかに高い電力消費、熱放散、およびより認識可能な設計の結果として ガス遠心分離機 この選択は検出がはるかに簡単であり、したがって信じられないでしょう。[105]
  • 商業施設で武器に使用できる材料を製造するための変更: 生産の可能性は重要です。しかし、兵器に使用可能な物質の製造に必要な肥沃な物質や核分裂性物質は、民事核融合システムに存在する必要はまったくありません。シールドされていない場合、これらの材料の検出は、それらの特徴的なガンマ線によって行うことができます。根本的な再設計は、定期的な設計情報の検証によって検出できます。固体ブリーダーブランケットモジュールの(技術的により実現可能な)ケースでは、入ってくる成分が親物質の存在について検査される必要があるでしょう、[105] そうでなければ、いくつかの兵器用のプルトニウムが毎年生産される可能性があります。[106]
  • 秘密に関係なく、兵器級の材料の迅速な生産を優先する: 兵器に使用できる材料を製造する最速の方法は、以前の核融合発電所を改造することで見られました。一部の原子力発電所とは異なり、民間使用中は兵器と互換性のある材料はありません。秘密の行動を必要としない場合でも、この変更は生産を開始するのに約2か月かかり、武器生産のためにかなりの量を生成するのに少なくともさらに1週間かかります。これは、軍事的使用を検出し、外交的または軍事的手段に反応するのに十分な時間と見なされていました。生産を停止するには、原子炉自体を除外して施設の不可避な部分を軍事的に破壊するだけで十分です。これは、核融合発電の本質的な安全性とともに、放射能汚染のリスクが低いだけです。[105]

別の研究は、「[..]大型核融合炉は、核分裂性物質の繁殖用に設計されていなくても、高い兵器品質と非常に低い原料要件で、年間数百kgのPuを容易に生産できる」と結論付けています。内在的拡散耐性の機能の実装は、研究開発のこの段階でのみ可能である可能性があることが強調されました。[106] 水素爆弾の設計に必要な理論的および計算ツールは、 慣性閉じ込め核融合、しかし、より科学的に開発されたものとの共通点はほとんどありません 磁場閉じ込め核.

エネルギー源

中性子燃料を使用する大規模原子炉(例: 携帯ボトル浄水器RJ-1 0.1ミクロン高性能フィルター採用 期限切れの水も綺麗に 災害用 防災用品 アウトドア 登山 野外活動や緊急時に安)および火力発電(タービンベース)は、 核分裂力 工学と経済学の観点から。核分裂発電所と核融合発電所はどちらも、従来の蒸気タービンベースの発電所に電力を供給する比較的コンパクトな熱源を必要とし、同時に、 アクティベーション 問題のある駅の材料の。主な違いは、核融合発電では高レベル放射性廃棄物が発生しないことです(ただし、活性化されたステーションの材料は廃棄する必要があります)。そのような発電所のコストやサイズを大幅に下げる可能性のある発電所のアイデアがいくつかあります。ただし、これらの分野の研究は、 トカマク.[107][108]

核融合エネルギーは一般的にの使用を提案します 重水素アイソトープ 燃料として、そして多くの現在の設計でも使用する水素の リチウム。核融合エネルギー出力が1995年の世界の出力約100に等しいと仮定する EJ /年(= 1×1020 J /年)そしてこれが将来増加しないこと、そしてそれはありそうもないことであり、既知の現在のリチウム埋蔵量は3000年続くでしょう。しかし、海水からのリチウムは6000万年続くでしょう、そして重水素だけを使うより複雑な核融合プロセスは1500億年の間燃料を持っているでしょう。[109] これを文脈に当てはめると、1500億年は太陽の残りの寿命の30倍に近いです。[110] 宇宙の推定年齢の10倍以上。

経済

核融合エネルギーはまだ開発の初期段階にありますが、かなりの金額が研究に投資されてきました。 EUではほとんど 100億ユーロ 1990年代の終わりまで核融合研究に費やされました。[111] そしてその 犬 猫 夏 クールバンダナ 保冷材付き めがねをかけたフレンチブルドッグ ひんやり 冷感 熱中症対策 ペット 首輪 ハンドメイド 受注制作 原子炉だけでも200億ドル以上の投資に相当し、現物寄付を含めてさらに数百億ドルになる可能性があります。[112][113] 2002年には、核融合による発電の実施が可能になるまで、研究開発は全体としてさらなる推進が必要であると推定された。 600〜800億ユーロ の期間にわたって 50年 かそこら(そのうち 200〜300億ユーロ EU内から)。[114] 欧州連合の下で 第6フレームワークプログラム、核融合研究を受けた 7億5000万ユーロ (ITER資金に加えて)、 8億1000万ユーロ 持続可能なエネルギー研究のために、[115] 核融合力の研究を、競合する単一の技術よりもはるかに先んじています。

投資の規模と期待される結果の時間枠は、最近まで核融合研究がほぼ独占的に公的資金で賄われていたことを意味します。しかし、過去数年間で、核融合発電の分野で活動している多くの新興企業が15億ドル以上を集めており、その中には次のような投資家がいます。 ジェフ・ベゾス, ピーター・ティール そして ビルゲイツ、およびを含む機関投資家 リーガル&ジェネラル、そして最近では スタトイル, エニ, シェブロン,[116] と中国人 ENNグループ.[117] 2019年9月、ブルームバーグは20社を超える民間企業が核融合エネルギーに取り組んでいることを発見しました。[118] 米国を拠点とする フュージョンインダストリーアソシエーション.[119][120]

2000年代と2010年代初頭に開発された最初のシナリオでは、核融合エネルギーの商業化が人類の文明の将来に与える影響について議論してきました。[121] 核分裂炉の取り込みの歴史をガイドとして使用して、これらはITER以降を見ました デモ 2050年頃に最初の商用核融合エネルギー原子炉をオンラインにすることを想定しており、今世紀半ば以降に始まる核融合エネルギーの急速な普及を描いています。[121] しかし、伝統的なトカマクベースの核融合発電を開発することへの経済的障害は、プロトタイプのトカマク原子炉の反復に資金を供給するのに十分な投資を引き付けることに焦点を合わせて、伝統的に計り知れないものと見なされてきました。[122]

より最近のシナリオでは、コンピューティングおよび材料科学の革新が、多様な技術経路に沿って国または費用を共有する「フュージョンパイロットプラント」を開発する可能性につながると見ています。[107][108][123] 英国など エネルギー生産のための球状トカマク、2030年から2040年の期間内。[118][119] これは、コンパクトな原子炉技術が、その後すぐに発電所のフリートアプローチを介して商業化の可能性に到達する可能性を示唆しています。[124] 核融合力の商業化が人類の文明の未来に与える影響のシナリオが提示されています。[121] ITER以降 デモ 2050年までに最初の商用核融合エネルギー原子炉をオンラインにすることが想定されています。これを出発点として、核分裂炉の取り込みの歴史をガイドとして使用して、シナリオは中期以降に始まる核融合エネルギーの急速な取り込みを示しています今世紀の。[121]そのため、規制当局の問題が発生しています。 2020年9月、米国 全米科学アカデミー 国の核融合パイロットプラントの開発をどのように支援するかを決定するために、民間の核融合会社との協議を行った。翌月、米国エネルギー省、 原子力規制委員会 核融合産業協会は、商業的核融合のための規制環境を準備するための公開フォーラムを共催しました。[116]

地政学

世界を変革する核融合の巨大な可能性を考えると エネルギー産業 そして最近では、気候変動を管理するために、[120] 核融合科学とITERの開発は、伝統的に長期的な平和構築の不可欠な部分と見なされてきました。 科学外交、特に 冷戦 冷戦直後の期間。[125][99] しかし、最近の技術開発は、[126] 民間部門の核融合産業の出現と、今後20年以内の商用核融合炉のプロトタイプの可能性により、核融合の知的財産、国際的な規制当局、および世界的なリーダーシップに関連する懸念が高まっています。[120] 核融合力の公平な世界的社会経済的発展、および核融合エネルギーの兵器化の可能性、そして地政学的安定性に深刻な影響を及ぼします。[117][127]

2020年9月と10月の開発により、核融合は「新しい宇宙開発競争」と呼ばれるようになりました。 9月24日、米国下院は、H.R。4447の核融合エネルギー研究および商業化プログラムであるクリーンエコノミージョブズアンドイノベーション法を承認しました。核融合エネルギー研究セクションには、意図的にモデル化された、マイルストーンベースのコストシェアリング官民パートナーシッププログラムが組み込まれています。 NASAコマーシャルを開始したのCOTSプログラム 宇宙産業.[116]

利点

核融合エネルギーは、現在使用されているどの燃料消費エネルギー源よりも、与えられた重量の燃料に対してより多くのエネルギーを提供します。[128] と燃料自体(主に 重水素)地球の海には豊富に存在します。海水中の6500個の水素原子の約1個が重水素です。[129] これは低い割合(約0.015%)に見えるかもしれませんが、核融合反応は化学燃焼よりもはるかにエネルギーが高く、海水は化石燃料よりもアクセスしやすく豊富であるため、核融合は何百万年もの間世界のエネルギー需要を供給する可能性があります。[130][131]

核融合パワーはで使用することができます 星間空間 太陽エネルギーが利用できない場所。[132][133]

歴史

初期の研究

核融合の研究は20世紀初頭に始まりました。 1920年にイギリスの物理学者 フランシス・ウィリアム・アストン 総質量が4に相当することを発見しました 水素原子 1つの総質量よりも重い ヘリウム原子 (He-4)、これは、水素原子を組み合わせてヘリウムを形成することによって正味のエネルギーを放出できることを意味し、星が測定される量のエネルギーを生成できるメカニズムの最初のヒントを提供しました。 1920年代を通じて、 アーサー・スタンリー・エディントン の主要な支持者になりました 陽子-陽子連鎖反応 (PP反応)を実行するプライマリシステムとして 太陽.[125]

核融合からの中性子は、のスタッフによって最初に検出されました アーネスト・ラザフォード'で ケンブリッジ大学、1933年。[134] 実験はによって開発されました マークオリファント そして、ターゲットに向かって陽子の加速を伴いました [135] 最大600,000電子ボルトのエネルギーで。 1933年、キャベンディッシュ研究所はアメリカ人から贈り物を受け取りました 物理化学者 ギルバート・N・ルイス 数滴の 重水。加速器は発射に使用されました 重水素重水素 さまざまなターゲットで。ラザフォードや他の人たちと協力して、オリファントは ヘリウム3 (ヘリオン)および トリチウム (トリトン).[136][137][138][139]

理論はによって検証されました ハンス・ベーテ 1939年にそれを示しています ベータ崩壊 そして 量子トンネリング の中に 太陽の核 陽子の1つをに変換する可能性があります 中性子 そしてそれによって生産する 重水素 ジプロトンではなく。その後、重水素は他の反応によって融合し、エネルギー出力をさらに増加させます。この作品では、ベテが勝ちました ノーベル物理学賞.[125]

核融合炉に関連する最初の特許は1946年に登録されました[140] によって 英国原子力公社。発明者は ジョージパジェットトムソン卿 そして モーゼスブラックマン。これは、の最初の詳細な調査でした Zピンチ 概念。 1947年以降、2つの英国チームがこの概念に基づいて小規模な実験を実施し、これまでになく大規模な一連の実験の構築を開始しました。[125]

最初の核融合装置

達成した最初の人工装置 点火 コードネームが付けられたこの核融合装置の爆発でした アイビーマイク.
ピンチマシン内のプラズマの初期の写真(Imperial College 1950/1951)

最初に成功した人工核融合装置は ブースト型核分裂兵器 1951年に 温室アイテム テスト。これは1952年代に真の核融合兵器が続いた アイビーマイク、および1954年代の最初の実用的な例 ブラボー城。これは制御されていない融合でした。これらの装置では、核分裂爆発によって放出されたエネルギーを使用して核融合燃料を圧縮および加熱し、核融合反応を開始します。 Fusionリリース 中性子。これら 中性子 周囲の核分裂燃料にぶつかると、原子は通常の核分裂プロセスよりもはるかに速く分裂します。比較すると、ほぼ瞬時に分裂します。これにより、爆弾の効果が高まります。通常の核分裂兵器は、すべての燃料が使用される前に爆発します。核融合/核分裂兵器には、この実用的な上限はありません。

1949年に駐在員のドイツ人、 ロナルド・リクター、提案 Huemulプロジェクト アルゼンチンでは、1951年に肯定的な結果を発表しました。これらは偽物であることが判明しましたが、それは全体としての概念へのかなりの関心を促しました。特に、それは促しました ライマンスピッツァー 高温プラズマの閉じ込めに伴うより明白な問題のいくつかを解決する方法を検討し始めるために、彼はzピンチの努力に気づかずに、として知られている問題の新しい解決策を開発しました。 ステラレーター。スピッツァーが米国に申請 原子力委員会 テストデバイスを構築するための資金提供。この期間に、 ジェームズL.タック zピンチで英国のチームと協力していた彼は、 ロスアラモス国立研究所 (LANL)。スピッツァーの資金調達の売り込みを聞いたとき、彼は自分のマシンを作ることを申請しました。 おそらくサトロン.[125]

スピッツァーのアイデアは資金を獲得し、彼はコードネームProjectMatterhornでステラレーターの作業を開始しました。彼の仕事はの作成につながりました プリンストンプラズマ物理研究所。タックはLANLに戻り、彼のマシンを構築するために地元の資金を手配しました。しかし、この時までに、すべてのピンチマシンが不安定性を含む同じ問題に苦しんでいることは明らかであり、進歩は行き詰まりました。 1953年、Tuckらは、安定性の問題に対するいくつかの解決策を提案しました。これは、英国が主導するピンチマシンの第2シリーズの設計につながりました ゼータ そして デバイス。[125]

スピッツァーは、A、B、C、Dの4台のマシンの積極的な開発プロジェクトを計画していました。AとBは小さな研究用デバイス、Cは発電機のプロトタイプ、Dは商用デバイスのプロトタイプです。 。 Aは問題なく動作しましたが、Bが使用されていたときでさえ、ステラレーターが不安定性とプラズマ漏れに苦しんでいることは明らかでした。これらの問題を修正する試みが行われたため、Cの進行は遅くなりました。[141][142]

1954年、 ルイス・ストローズ、当時、米国原子力委員会の委員長(U.S. AEC、米国の前身) 原子力規制委員会 そしてその 米国エネルギー省)将来の電気については「計量するには安すぎる".[143] シュトラウスはおそらく水素核融合について言及していた[144] —の一部として密かに開発されていた プロジェクトシャーウッド 当時—しかしシュトラウスの声明は核分裂からの非常に安価なエネルギーの約束として解釈されました。米国のAEC自体は、核分裂に関するはるかに現実的な証言をわずか数か月前に米国議会に発行し、「コストを下げることができる... [に] ...従来の電源からの電力のコストとほぼ同じである」と予測しました。 ..」[145]

1950年代半ばまでに、すべてのフュージョンマシンのパフォーマンスを計算するために使用されている単純な理論的ツールが、実際の動作を予測していなかったことは明らかでした。機械は常に、予測よりもはるかに高い速度で閉じ込め領域からプラズマを漏らしていました。 1954年、 エドワードテラー プロジェクトマターホーン(現在は プロジェクトシャーウッド)根拠。テラーは、誰もが抱えている問題を指摘することから始め、プラズマが凹面フィールド内に閉じ込められているシステムはすべて失敗する運命にあると示唆しました。参加者は、フィールドが輪ゴムのようであり、電力が増加するたびにプラズマを放出して、まっすぐな構成にスナップバックしようとするという趣旨の何かを彼が言ったことを覚えています。彼はさらに、プラズマを安定した構成に閉じ込める唯一の方法は、「カスプ」構成である凸面フィールドを使用することであると思われると述べました。[146]:118

会議が終了すると、ほとんどの研究者は、テラーの懸念が特定のデバイスに当てはまらない理由を述べた論文をすぐに見つけました。ピンチマシンはこのように磁場をまったく使用しませんでしたが、ミラーとステラレーターにはさまざまな方法があるように見えました。これはすぐに論文が続きました マーティン・デビッド・クルスカル そして マーティンシュヴァルツシルト しかし、ピンチマシンについて議論することは、それらのデバイスの不安定性を実証することは、設計に固有のものでした。[146]:118

最大の「クラシック」ピンチデバイスは ゼータ、これらの提案されたアップグレードのすべてを含み、1957年に英国で操業を開始しました。1958年初頭に、 ジョン・コッククロフト ZETAで融合が達成されたと発表し、世界中で話題となった。米国の物理学者が主張について懸念を表明したとき、彼らは最初に却下されました。米国の実験はすぐに同じ中性子を示しましたが、温度測定はこれらが核融合反応からのものではないことを示唆しました。英国で見られた中性子は、後に、以前の機械を悩ませていた同じ不安定プロセスの異なるバージョンからのものであることが実証されました。コッククロフトは核融合の主張を撤回することを余儀なくされ、フィールド全体が何年もの間汚染されていました。 ZETAは1968年に実験を終了しました。[125]

制御を達成するための最初の実験 熱核融合 でScyllaIを使用して達成されました ロスアラモス国立研究所 1958年。[27] スキュラ私は θピンチ 重水素でいっぱいのシリンダーを備えた機械。電流がシリンダーの側面を流れ落ちました。電流は磁場を作りました つままれた プラズマは、原子が融合して中性子を生成するのに十分な時間、温度を摂氏1500万度に上げます。[26][27] シャーウッドプログラムは、ロスアラモスで一連のスキュラマシンを後援しました。このプログラムは、1952年1月に5人の研究者と10万ドルの米国の資金で始まりました。[147] 1965年までに、合計2,100万ドルがプログラムに費やされ、人員配置は65を超えることはありませんでした。[要出典]

1950〜 1951年 I.E.タム そして A.D.サハロフ の中に ソビエト連邦、最初に議論された トカマク-アプローチのように。これらの設計に関する実験的研究は、1956年に クルチャトフ研究所モスクワ によって率いられたソビエト科学者のグループによって Lev Artsimovich。トカマクは基本的に、低電力のピンチデバイスと低電力の単純なステラレーターを組み合わせたものです。重要なのは、粒子が原子炉内を特定の回数周回するようにフィールドを結合することでした。安全係数"。これらのフィールドの組み合わせにより、閉じ込め時間と密度が劇的に改善され、既存のデバイスに比べて大幅に改善されました。[125]

1960年代

主要なプラズマ物理学のテキストは、によって公開されました ライマンスピッツァー 1963年にプリンストンで。[148] スピッツァーは理想気体の法則を採用し、それらをイオン化プラズマに適合させ、プラズマのモデル化に使用される基本方程式の多くを開発しました。

レーザー核融合は1962年に科学者によって提案されました ローレンスリバモア国立研究所、1960年にレーザー自体が発明された直後。当時、レーザーは低出力の機械でしたが、低レベルの研究は早くも1965年に始まりました。レーザー核融合、正式には 慣性閉じ込め核融合、含む 内破 を使用してターゲット レーザ ビーム。これを行うには、間接ドライブと直接ドライブの2つの方法があります。ダイレクトドライブでは、レーザーが燃料のペレットを発射します。間接駆動では、レーザーが燃料の周りの構造物を爆破します。これは X線 それは燃料を絞ります。どちらの方法でも燃料を圧縮して、核融合を行うことができます。

1964年世界博​​覧会、国民は核融合の最初のデモンストレーションを与えられました。[149] デバイスは、GeneralElectricのシータピンチでした。これは、ロスアラモスで以前に開発されたスキュラマシンに似ていました。

そうして 磁気ミラー 1967年に最初に発行された リチャード・F・ポスト ローレンスリバモア国立研究所の他の多くの人々。[150] ミラーは、2つの大きな磁石で構成されていたため、内部に強い磁場があり、それらの間に弱いが接続された磁場がありました。 2つの磁石の間の領域に導入されたプラズマは、中央のより強い磁場から「跳ね返る」でしょう。

ザ・ A.D.サハロフ グループは最初のトカマクを構築しましたが、最も成功したのはT-3とその大型バージョンのT-4です。 T-4は1968年にテストされました ノボシビルスク、世界初の準定常核融合反応を生み出します。[151]:90 これが最初に発表されたとき、国際社会は非常に懐疑的でした。しかし、英国のチームはT-3を見るために招待されました、そしてそれを徹底的に測定した後、彼らはソビエトの主張を確認する彼らの結果を発表しました。多くの計画されたデバイスが放棄され、代わりに新しいトカマクが導入されたため、活動のバーストが続きました。Cモデルのステラレーターは、多くの再設計の後に建設中で、すぐに対称トカマクに変換されました。[125]

真空管を使った彼の仕事では、 フィロファーンズワース 電荷がチューブの領域に蓄積することを観察しました。今日、この効果はとして知られています マルチパクター効果.[152] ファーンズワースは、イオンが十分に高く濃縮されている場合、それらは衝突して融合する可能性があると推論しました。 1962年に、彼は核融合を達成するために、プラズマを濃縮するためにポジティブインナーケージを使用する設計に関する特許を申請しました。[153] この間、 ロバートL.ハーシュ ファーンズワーステレビラボに参加し、フューザーになったものの作業を開始しました。ヒルシュは1966年にデザインの特許を取得しました[154] 1967年にデザインを発表しました。[155]

1970年代

シヴァレーザー、1977年、70年代に構築された最大のICFレーザーシステム
1979年のタンデムミラー実験(TMX)

1972年、ジョン・ナッコルズは点火のアイデアを概説しました。[22] これは核融合連鎖反応です。核融合中に作られた熱いヘリウムは燃料を再加熱し、より多くの反応を開始します。ジョンは、点火には約1kJのレーザーが必要であると主張しました。これは間違っていることが判明しました。 Nuckollsの論文は、主要な開発努力を開始しました。 LLNLではいくつかのレーザーシステムが構築されました。これらには、 アーガスサイクロプスヤヌス長い道のりシヴァレーザー、 そしてその ノヴァ 1984年に。これにより、英国は 中央レーザー施設 1976年。[156]

この間、トカマクシステムの理解に大きな進歩がありました。[157] 設計の多くの改善が「高度なトカマク」コンセプトの一部になりました。これには、非円形プラズマ、内部ダイバータとリミッター、多くの場合超伝導磁石が含まれ、安定性が向上したいわゆる「Hモード」アイランドで動作します。 。[158] 他の2つの設計もかなりよく研究されています。コンパクトなトカマクは、真空チャンバーの内側にある磁石で配線されています。[159][160] 一方、 球状トカマク 可能な限り断面積を減らします。[161][162]

1974年、ZETAの結果の研究により、興味深い副作用が示されました。実験の実行が終了した後、プラズマは短期間の安定状態に入ります。これはにつながった 逆磁場ピンチ それ以来、ある程度の発展を遂げてきたコンセプト。 1974年5月1日、KMSフュージョン会社( キップシーゲル)重水素-トリチウムペレットで世界初のレーザー誘起核融合を実現。[163]

1970年代半ば、 プロジェクトペース、ロスアラモス国立研究所(LANL)で実施され、小型爆発を伴う核融合発電システムの可能性を調査しました 水素爆弾 (核融合爆弾)地下空洞内。[164]:25 エネルギー源として、このシステムは、既存の技術を使用して機能することを実証できる唯一の核融合電力システムです。それはまた、核爆弾の大規模で継続的な供給を必要とするでしょう、しかし、そのようなシステムの経済性はかなり疑わしいものになります。

1976年に、2つのビーム アーガスレーザー で運用可能になりました リバモア.[165] 1977年、20ビーム シヴァレーザー リバモアで完成し、ターゲットに10.2キロジュールの赤外線エネルギーを供給することができました。価格は2500万ドルで、サッカー場のサイズに近いサイズで、シヴァは最初のメガレーザーでした。[165] その同じ年、 ジェット プロジェクトはによって承認されました 欧州委員会 サイトが選択されます。

1980

磁気ミラーはエンドロスに悩まされ、ここに描かれている野球のコイルのような高出力で複雑な磁気設計を必要としました。
から再利用されたノベットターゲットチャンバー(診断装置が放射状に突き出ている金属球) シヴァ プロジェクトと2つの新しく構築されたレーザーチェーンが背景に表示されます。
の慣性閉じ込め核融合爆縮 Novaレーザー 1980年代には、核融合開発の重要な推進力でした。

アドボカシー、冷戦、そして 1970年代のエネルギー危機 大規模な 磁気ミラー このプログラムは、1970年代後半から1980年代初頭にかけて米国連邦政府によって資金提供されました。このプログラムは、次のような一連の大型磁気ミラーデバイスを生み出しました。[166]:273 野球I、野球II、 タンデムミラー実験、タンデムミラー実験のアップグレード、 ミラーフュージョンテスト施設、およびMFTF-B。これらのマシンは、1960年代後半から1980年代半ばにかけて、リバモアで製造およびテストされました。[167][168] 多くの機関がこれらの機械で協力して実験を行った。これらには、 高等研究所 そしてその ウィスコンシン大学マディソン校。最後のマシン、 ミラーフュージョンテスト施設 費用は3億7200万ドルで、当時、リバモアの歴史の中で最も高価なプロジェクトでした。[64] 1986年2月21日にオープンし、すぐに閉鎖されました。与えられた理由は、米国の連邦予算のバランスを取るためでした。このプログラムは、カーター政権とレーガン初期政権の内部から支援されました。 エドウィン・E・キントナー、米海軍大尉、下 アルバン・トリベルピー.[169]

レーザー核融合が進んだ:1983年に、 NOVETTEレーザー 完成しました。次の1984年12月、10ビーム NOVAレーザー 終了した。 5年後、NOVAは、ナノ秒のパルスの間に最大120キロジュールの赤外線を生成します。[170] その間、努力は速い配達かビームの滑らかさのどちらかに焦点を合わせました。両方とも、ターゲットを内破するためにエネルギーを均一に供給しようとしました。初期の問題の1つは、 赤外線 波長は燃料に当たる前に多くのエネルギーを失いました。ブレークスルーはで行われました レーザーエネルギー学研究所ロチェスター大学。ロチェスターの科学者は、周波数3倍の結晶を使用して、赤外線レーザービームを紫外線ビームに変換しました。 1985年、 ドナ・ストリックランド[171] そして ジェラール・ムロウ 「チャープ」によってレーザーパルスを増幅する方法を発明しました。この方法では、単一の波長をフルスペクトルに変更します。次に、システムは各波長でレーザーを増幅し、ビームを1つの色に再構成します。チャープパルス増幅は、国立点火施設とオメガEPシステムの構築に役立ちました。爆破は核兵器に関連しているため、ICFに関するほとんどの研究は兵器研究に向けられていました。[172]

この間 ロスアラモス国立研究所 一連のレーザー施設を建設しました。[173] これには、ジェミニ(2ビームシステム)、ヘリオス(8ビーム)、アンタレス(24ビーム)、オーロラ(96ビーム)が含まれます。[174][175] プログラムは90年代初頭に終了し、費用は10億ドル程度でした。[173]

1987年、長谷川晃[176] 双極子磁場では、変動がエネルギー損失なしにプラズマを圧縮する傾向があることに気づきました。この効果は、によって取得されたデータで注目されました ボイジャー2号、天王星に遭遇したとき。この観察は、として知られている融合アプローチの基礎になるでしょう 浮揚ダイポール.

トカマクでは、 トーレスープラ 80年代半ば(1983年から1988年)に建設中でした。これは トカマク ビルトイン カダラッシュ、フランス。[177] 1983年に、 ジェット 完了し、最初のプラズマが達成されました。 1985年、日本のトカマク、 JT-60 完成しました。 1988年、 T-15 ソビエトのトカマクが完成しました。使用した最初の工業用核融合炉でした(ヘリウム冷却) 超電導 プラズマを制御するための磁石。[178]

1989年、ポンスとフライシュマンは論文を 電気分析化学ジャーナル 彼らが室温装置で核融合を観察したと主張し、プレスリリースで彼らの研究を開示した。[179] 一部の科学者は、いわゆる過剰な熱、中性子、トリチウム、ヘリウム、およびその他の核の影響を報告しました 常温核融合 システム、それはしばらくの間、約束を示すものとして関心を集めました。常温核融合が起こりそうにないいくつかの理由、実験誤差の考えられる原因の発見、そして最後にフライシュマンとポンスが実際に核反応の副産物を検出しなかったという発見を考慮して複製の失敗を比較検討したとき、期待は下がった。[180][181][182][183] 1989年後半までに、ほとんどの科学者は常温核融合の主張は死んだと考えていた。[180] 常温核融合はその後評判を得た 病理学.[184] しかし、研究者の小さなコミュニティは常温核融合を調査し続けている[180][185][186][187][188] 核反応の副産物を含むフライシュマンとポンスの結果を再現すると主張している。[189][190] 常温核融合に関連する主張は、主流の科学界ではほとんど信じられていない。[191] 1989年に、 米国エネルギー省 (DOE)は、新しい核プロセスの発見の証拠が説得力がないことを発見しました。新しい研究を検討するために2004年に召集された2回目のDOEレビューは、最初のレビューと同様の結論に達しました。[192][193][194]

1984年、ORNLのMartinPengが提案しました[195] コンパクトトカマクの侵食の問題を回避しながらアスペクト比を大幅に低減するマグネットコイルの代替配置:a 球状トカマク。彼は、各磁石コイルを別々に配線する代わりに、中央に1つの大きな導体を使用し、磁石をこの導体のハーフリングとして配線することを提案しました。かつてはリアクターの中央の穴を通過する一連の個別のリングが単一のポストに縮小され、1.2という低いアスペクト比が可能になりました。[196]:B247[197]:225 STのコンセプトは、トカマクの設計における大きな進歩を表しているように見えました。しかし、米国の核融合研究予算が劇的に縮小されていた時期に提案されていました。 ORNLには、「Glidcop」と呼ばれる高強度銅合金で作られた適切な中央カラムを開発するための資金が提供されました。しかし、デモ機「STX」を建設するための資金を確保することができませんでした。 ORNLでSTを構築できなかったため、Pengは、STの概念に他のチームの関心を引き、テストマシンを構築するための世界的な取り組みを開始しました。これをすばやく行う1つの方法は、スフェロマックマシンをに変換することです。 球状トカマク レイアウト。[197]:225 鵬の擁護も興味を引いた デレク・ロビンソン、の 英国原子力公社 フュージョンセンター カルハム。ロビンソンはチームを集め、実験用の機械を作るために10万ポンドのオーダーの資金を確保することができました。 スモールタイトアスペクト比トカマク、またはSTART。マシンのいくつかの部分は以前のプロジェクトからリサイクルされましたが、他の部分はORNLの40keV中性粒子ビーム入射器を含む他のラボから貸与されました。の建設 開始 1990年に始まり、急速に組み立てられ、1991年1月に操業を開始しました。[196]:11

1990年代

で使用するために設計された金メッキのホーラムのモックアップ 国立点火施設

1991年に 欧州トーラス共同研究施設 イギリスでは、世界初の核融合力の制御放出を達成しました。[198]

1992年に、主要な記事がフィジックストゥデイにロバートマッコーリーによって出版されました。 レーザーエネルギー学研究所 ICFの現状を超えて、国立点火施設を提唱しています。[199] これに続いて、1995年にジョンリンドルからの主要な総説がありました。[200] を提唱する NIF。この間、ターゲット製造、極低温処理システム、新しいレーザー設計(特に ナイキレーザーNRL)および飛行時間アナライザーや トムソン散乱。この作業はで行われました NOVA レーザーシステム、 ゼネラルアトミック, レーザーメガジュール そしてその GEKKO XII 日本のシステム。この作業と、NRLのフュージョンパワーアソシエイトやジョンセシアンなどのグループによるロビー活動を通じて、90年代後半のNIFプロジェクトへの資金提供を承認する投票が議会で行われました。

90年代初頭、に関する理論と実験的研究 フューザーズ そして ポリウェル 公開されました。[201][202] それに応じて、トッドライダーは MIT これらのデバイスの一般的なモデルを開発しました。[203] ライダーは、熱力学的平衡にあるすべてのプラズマシステムは基本的に制限されていると主張しました。 1995年に、ウィリアム・ネビンスは批判を発表しました[204] フューザーとポリウェル内の粒子が蓄積すると主張する 角運動量、高密度コアの劣化を引き起こします。

1995年に、 ウィスコンシン大学マディソン校 大規模な構築 フューザー、HOMERとして知られ、現在も運用されています。[205] その間、博士 ジョージH.マイリーイリノイ、重水素ガスを使用して中性子を生成する小さなフューザーを構築しました[206][207] そして、フューザー操作の「スターモード」を発見しました。翌年、第1回「IEC核融合に関する日米ワークショップ」が開催されました。現時点でヨーロッパでは、IECデバイスが商用中性子源として開発されました。 ダイムラー-クライスラー およびNSDFusion。[208][209]

翌年、Zマシンはアップグレードされ、1998年8月に米国陸軍によってScientificAmericanで一般公開されました。[210] サンディアのZマシンの主な属性[211] その1800万アンペアと100未満の放電時間です ナノ秒。これは、大きな石油タンク内で磁気パルスを生成し、これは タングステン と呼ばれるワイヤー ライナー.[212] Zマシンを発射することは、非常に高エネルギー、高温(20億度)の条件をテストする方法になりました。[213] 1996年に、 トーレスープラ 2.3MWの2.3MWによって非誘導的に駆動されるほぼ100万アンペアの電流で2分間プラズマを生成します より低いハイブリッド周波数波。これは、注入および抽出されたエネルギーの280MJです。この結果は、アクティブに冷却されたプラズマ対向機器のために可能でした[要出典]

1997年、JETは16.1 MWの核融合出力のピークを生成しました(プラズマへの熱の65%)[214])、10MW以上の核融合出力が0.5秒以上持続します。その後継機である国際熱核融合実験炉(ソラン・デ・カブラス 330ml PET 24本 ピンクボトル SOLAN DE CABRAS スペイン ソランデカブラス ミネラルウォーター)、7者コンソーシアム(6か国とEU)の一部として正式に発表されました。 【RealBvoice】STICKER RBV CAMO BIGサイズ/RealBVoiceカモフラMIXロゴステッカー に投入された力の10倍の核融合力を生み出すように設計されています プラズマ. アイライナー 公式店 CAROME. カロミー ウォータープルーフリキッドアイライナー ダレノガレ明美 かろみー ネコポス対象商品 女性 プレゼント 2022春 現在建設中です カダラッシュ、フランス。[215]

90年代後半、 コロンビア大学 そして MIT 開発した 浮揚ダイポール,[216] 受け皿型の真空チャンバー内に浮かぶ超伝導電磁石からなる核融合装置。[217] プラズマはこのドーナツの周りを渦巻いて、中心軸に沿って融合しました。[218]

2000年代

1999年以降、ますます多くのアマチュアが自家製を使用して原子を融合することができるようになりました フューザーズ、ここに表示されます。[219][220][221][222][223]
ザ・ メガアンペア球状トカマク 1999年に英国で運用開始

査読付きジャーナルの2002年3月8日号 理科, ルシ・P・タレヤルカン と同僚 オークリッジ国立研究所(ORNL) で行われた音響キャビテーション実験は 重水素化 アセトン (C3D6O)の測定値を示した トリチウム そして 中性子 融合の発生と一致する出力。[224] タレヤルカンは後に違法行為で有罪となった。[225] インクルード 海軍研究局 連邦資金を受け取ることから28ヶ月間彼を禁止しました、[226] 彼の名前は「除外当事者リスト」に記載されていました。[226]

「高速点火」[227][228] 90年代後半に開発され、 レーザーエネルギー学研究所 オメガEPシステムを構築するため。このシステムは2008年に完成しました。高速点火は劇的な電力節約を示したため、ICFはエネルギー生産に有用な技術であるように思われます。として知られている高速点火アプローチ専用の実験施設を建設する提案さえあります HiPER.

2005年4月、 UCLA 発表[229] それは、「実験台に収まる」機械を使用して融合を生成する方法を考案しました。 タンタル酸リチウム 重水素原子を一緒に粉砕するのに十分な電圧を生成します。ただし、このプロセスでは正味の電力は生成されません(を参照)。 焦電核融合)。このようなデバイスは、フューザーと同じ種類の役割で役立ちます。

翌年、中国の テストリアクターが完成しました。[230] これは、超伝導磁石を使用してトロイダル磁場とポロイダル磁場の両方を生成した最初のトカマクでした。

2000年代初頭、 LANL プラズマ振動は局所的な熱力学的平衡にある可能性があると推論した。これはPOPSと ペニングトラップ デザイン。[231][232]

現時点では、 MIT に興味を持った フューザーズ 宇宙推進用[233] 宇宙船に動力を供給します。[234] 具体的には、研究者は開発しました フューザーズ 複数の内部ケージを備えています。グレッグ・ピーファーはマディソンを卒業して設立しました フェニックス原子力研究所、を開発した会社 フューザー 医療用同位体の大量生産のための中性子源に。[235] ロバート・バサード について公然と話し始めた LANケーブル 5m Cat6 カテゴリー6 より線 ストレート 2006年に。[236] 彼は興味を起こそうとしました[237] 研究では、彼の死の前に。 2008年に、 テイラーウィルソン 悪評を達成[238][239] 14歳で核融合を達成するために自家製 フューザー.[240][241][242]

2009年3月、高エネルギーレーザーシステム、 国立点火施設 (NIF)、にあります ローレンスリバモア国立研究所、運用可能になりました。[243]

2000年代初頭には、商業的に実行可能な核融合発電所を開発するという目標を掲げて革新的なアプローチを追求する、多くの民間支援の核融合会社が設立されました。[244] 秘密のスタートアップ トライアルファエナジー1998年に設立され、 逆転磁場配位 アプローチ。[245][246] 2002年、カナダの会社 ジェネラルフュージョン と呼ばれるハイブリッド磁気慣性アプローチに基づく概念実証実験を開始しました 磁化標的核融合。[245][244] これらの企業は現在、ジェフベゾス(ジェネラルフュージョン)やポールアレン(トライアルファエナジー)などの個人投資家から資金提供を受けています。[245] 10年の終わりに向けて、英国を拠点とするフュージョン会社 トカマクエナジー 探検を始めました 球状トカマク デバイス;再接続を使用してトカマクをキックスタートしています。[247]

2010年代

国立点火施設のプリアンプ。 2012年、NIFは500テラワットのショットを達成しました。
建設中のWendelstein7X
ステラレーター設計の例:コイルシステム(青)がプラズマ(黄色)を囲んでいます。磁力線は、黄色のプラズマ表面で緑色で強調表示されています。

核融合に関する研究は、公共部門と民間部門の両方で2010年代に加速しました。 10年の間に、 ジェネラルフュージョン プラズマインジェクター技術を開発し、 トライアルファエナジー C-2Uデバイスを構築して運用しました。[248] 核融合はNIFと フランス語 レーザーメガジュール。 2010年、NIFの研究者は一連の「調整」ショットを実施して、核融合燃料を使用した高エネルギー点火実験に最適なターゲット設計とレーザーパラメーターを決定しました。[249][250] 発射テストは2010年10月31日と2010年11月2日に実施されました。2012年初頭、NIFディレクターのマイクダンは、レーザーシステムが2012年末までに正味のエネルギーゲインとの融合を生成すると予想しました。[251] しかし、それは2013年8月まで起こりませんでした。施設は、次のステップは、ホーラムが非対称または早すぎる崩壊を防ぐためにシステムを改善することを含むと報告しました。[252]

核融合に関して、2012年の論文は、高密度プラズマ焦点が摂氏18億度の温度を達成したことを示しました。 ホウ素核融合、そしてその核融合反応は主に含まれているプラ​​ズモイド内で起こっていた。これは正味の力に必要な条件である。[253]

2014年4月、 ローレンスリバモア国立研究所 終了しました レーザー慣性核融合エネルギー (LIFE)プログラムと彼らの努力をNIFに向け直した。[254] 2014年8月、 フェニックス原子力研究所 5×10を維持できる高収率中性子発生器の販売を発表11 重水素 24時間にわたる1秒あたりの核融合反応。[255] 2014年10月、 ロッキードマーティンスカンクワークス ハイの開発を発表しました ベータ 核融合炉、 コンパクト核融合炉、2017年までに100メガワットのプロトタイプを作成し、2022年までに通常の運用を開始する予定です。[256][257][258] 当初のコンセプトは20トンのコンテナサイズのユニットを構築することでしたが、チームは2018年の実際の工学および科学研究とコンピューターシミュレーションの結果、最小スケールは2,000トンで約100倍になることを認めました。スマホケース 手帳型 iPhone13 Pro SE ケース 手帳 iPhone12 XR 携帯 ケース アイフォン11 スマホ 携帯 XS 7 8 iPhoneケース 革 レザー

2015年1月、 ギター・タブ・ノート /ブラック (黒・TABノート) (A4) で発表されました Microsoft Research.[260] 8月に、 MIT 発表した トカマク それは名前を付けました ARCフュージョンリアクター、を使用して 希土類バリウム-銅酸化物 (REBCO)超電導テープは、他の設計よりも小さい構成で同等の磁場強度を生成すると主張する高磁場コイルを生成します。[261] 10月、 マックスプランクプラズマ物理学研究所 最大の建物の建設が完了しました ステラレーター 現在まで、 ヴェンデルシュタイン7-X。彼らは12月10日に最初のヘリウムプラズマの生成に成功し、2016年2月3日にデバイスの最初の水素プラズマを生成しました。[262] プラズマ放電が最大30分間続くため、ウェンデルシュタイン7-Xは、高温水素プラズマの連続動作という重要なステラレーター属性を実証しようとしています。

2017年、ヘリオンエナジーの第5世代プラズママシンが稼働し、20テスラのプラズマ密度と核融合温度の達成を目指しました。 2018年、ジェネラルフュージョンは、2023年頃に完成する70%規模のデモシステムを開発していました。サンドスコップ 猫砂用 猫トイレ用スコップ トイレグッズ 猫用 ペット用品 猫用品 ペットグッズ 小粒用 大粒用 ブルー ピンク また、2017年には、トカマクエネルギーが運営する英国の核融合炉ST40が「最初のプラズマ」を生成しました。[263] 翌年、エネルギー法人 エニ 新しく設立されたへの5000万ドルの投資を発表しました コモンウェルスフュージョンシステム、商品化を試みる アーク テストリアクターを使用した技術(SPARC)MITと共同で。[264][265][266][267]

国の核融合発電所に関しては、2019年に英国は、核融合施設の設計を作成するために2億ポンド(2億4800万米ドル)の投資を計画していると発表しました。 エネルギー生産のための球状トカマク (STEP)、2040年代初頭までに。[268][269]

2020年代

2020年、エネルギーの巨人 シェブロン株式会社 核融合エネルギーの新興企業であるザップエナジーへの投資を発表した。 [270]

記録

フュージョンレコードは、多くのデバイスによって設定されています。いくつかは続きます:

核融合力

瞬間核融合パワーは、D-Tプラズマで測定するか、非核融合プラズマから計算してD-Tプラズマに外挿することができます。ジェット 1997年に16MWを報告しました。[271]

プラズマ圧力

プラズマ圧力は密度と温度に依存します。

アルケーターC-Mod 2005年には記録的な1.77気圧、2016年には2.05気圧を達成しました。[272]

ローソン基準

核融合トリプル製品に関しては、 JT-60 1.53x10を報告21 keV.s.m−3.[273][274]

核融合エネルギー増倍率Q

プラズマを加熱するために使用されるエネルギーの量に対する融合によって生成されるエネルギーの比率。この比率は、プラズマ加熱システムの非効率性を無視します。

  • 記録0.69はによって保持されます 欧州トーラス共同研究施設 (JET)プラズマが核融合反応から16 MWの電力を生成した1997年以来、23MWのプラズマ加熱と比較して。[271]

一部の実験では、Dのみの結果に基づいて、D-Tを使用したかのようにQ値を要求しています。

ランタイム

低温の低圧プラズマは長期間簡単に保持または維持されるため、実行時間だけでは有用なパラメータではありません。

逆転磁場配位、最長実行時間は300ミリ秒で、 プリンストン逆転磁場配位 2016年8月。[275] ただし、これには融合は含まれていません。

A ステラレーター, ヴェンデルシュタイン7-X、プラズマを100秒間保持しました。[276][277]

ベータ

核融合パワーは、プラズマの閉じ込めが4乗になるにつれて傾向があります。[278] したがって、強力なプラズマトラップを取得することは、核融合発電所にとって真の価値があります。プラズマはとても良いです 電気伝導性。これにより、プラズマを閉じ込める可能性が開かれます。 磁場、一般的に知られている 磁気閉じ込め。磁場はプラズマに磁気圧力をかけ、プラズマを保持します。核融合における磁気トラッピングの広く使用されている尺度は、ベータ比(プラズマ圧力/磁場圧力)です。

[279]:115

これは、プラズマの内圧に対する外部から加えられた場の比率です。値1は理想的なトラッピングです。ベータ値の例は次のとおりです。

  1. ザ・ 開始 マシン:0.32
  2. ザ・ 浮揚ダイポール 実験:[280] 0.26
  3. スフェロマック:≈0.1、[281] Mercierの制限に基づいて最大0.2。[282]
  4. ザ・ DIII-D マシン:0.126[要出典]
  5. ザ・ ガスダイナミックトラップ 磁気ミラー:0.6[283] 5E-3秒間。[284]
  6. ロスアラモス国立研究所での持続スフェロマックプラズマ実験<0.05、4E-6秒間。[285]

も参照してください

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参考文献

外部リンク