核融合エネルギーを実現するための懸命なレースでは、小規模なラボが大手企業を圧迫している可能性があります。太陽と星の動力源である核融合を地球のエネルギーとして活用する世界的な取り組みは、現在、フランスの ITER 核融合炉とカリフォルニアの国立点火施設 (NIF) という 2 つの数十億ドル規模の施設に焦点を当てています。しかし、他にも安価なアプローチが存在し、そのうちの 1 つが、プロセスが核融合反応を引き起こすのに必要な以上のエネルギーを生成する重要なマイルストーンである「損益分岐点」に最初に到達するチャンスがあるかもしれません。ニューメキシコ州アルバカーキにあるサンディア国立研究所の研究者は、フィジカル レビュー レターで発表します。 (PRL ) 論文は、磁化されたライナー慣性核融合 (MagLIF) として知られ、2 年前に最初に提案された彼らのプロセスが 3 つのテストの最初のテストに合格し、切望された損益分岐点への試みに向けて軌道に乗ったことを発表するために受け入れられました。プロセスの残りのコンポーネントのテストは来年も継続され、チームは 2013 年末までに融合の最初の試みを行う予定です。
核融合炉は、水素同位体である重水素と三重水素で構成されるプラズマ (電離ガス) を加熱して圧縮し、原子核が相互の反発を克服して融合するまで同位体を圧縮します。この圧力鍋からは、ヘリウム原子核、中性子、および多くのエネルギーが発生します。核融合に必要な温度は 1 億℃を超えるため、何かを取り出す前に多くのエネルギーを投入する必要があります。 ITER と NIF は、さまざまな方法でこの問題に取り組むことを計画しています。 2019年か2020年に完成するITERでは、巨大な磁場を持つプラズマを閉じ込め、粒子ビームや電波で加熱することで核融合を試みます。対照的に、NIF は、水素燃料で満たされた小さなカプセルを取り、強力なレーザー パルスでそれを粉砕します。 NIF は数年前から運営されていますが、まだ損益分岐点に達していません。
Sandia の MagLIF 技術は、燃料を急速に粉砕するという点で NIF と似ています。このプロセスは、慣性閉じ込め核融合として知られています。しかし、それを行うために、MagLIF はレーザーではなく磁気パルスを使用します。 MagLIF のターゲットは、直径約 7 mm の小さな円柱です。それはベリリウムでできていて、重水素とトリチウムで満たされています。ライナーとして知られるシリンダーは、サンディアの巨大な電気パルス発生器 (Z マシンと呼ばれる) に接続されており、ミリ秒以下のパルスで 2600 万アンペアを供給することができます。シリンダーの壁を流れ落ちる大量の電流は、ライナーの壁に内向きの力を及ぼす磁場を作り出し、ライナーの壁を即座に押しつぶし、核融合燃料を圧縮して加熱します。
研究者は、ライナーを押しつぶして核融合燃料を加熱するこの技術について以前から知っていました。しかし、MagLIF-Z マシンのセットアップだけでは十分な熱が発生しませんでした。プロセスが損益分岐点に到達できるようにするには、何か特別なものが必要でした。サンディアの研究者であるスティーブ・スラッツは、プロセスのコンピューターシミュレーションを通じてさまざまな機能強化を調査するチームを率いました。 Physics of Plasmas に掲載された論文 2010 年、チームは 3 つの機能強化で損益分岐点に到達できると予測しました。
まず、爆縮速度を上げるために、わずか 100 ナノ秒で電流パルスをさらに速く適用する必要がありました。また、Z マシンが始動する直前にレーザー パルスでライナー内の水素燃料を予熱します。そして最後に、ライナーの両端に 1 つずつ、2 つの電気コイルを配置します。これらのコイルは、2 つのコイルをリンクする磁場を生成し、ライナーを磁気ブランケットで包みます。磁気ブランケットは、電子やヘリウム原子核などの荷電粒子が逃げてプラズマを冷却するのを防ぎ、温度を高温に保ちます。
Sandia のプラズマ物理学者である Ryan McBride 氏は、シミュレーションが正しいかどうかを確認する取り組みを主導しています。リストの最初の項目は、ライナーの急速な圧縮をテストすることです。重要なパラメーターの 1 つは、ライナーの壁の厚さです。壁が薄いほど、磁気パルスによって加速されます。しかし、パルス中に壁の材料も蒸発し始めます。それがあまりにも早く壊れると、圧縮が損なわれます。一方、壁が厚すぎると、十分な速度に達しません。 「中間にスイート スポットがあり、そのままの状態を保ちながら、かなり良好な爆縮速度が得られます」と McBride 氏は言います。
予測されたスイート スポットをテストするために、マクブライドと彼のチームは、X 線を生成するために高出力レーザー (実際には、サンディアに移動された NIF プロトタイプ) でマンガンのサンプルを爆破することを含む精巧なイメージング システムをセットアップしました。内破のさまざまな段階でライナーを通して X 線を照射することにより、研究者は何が起こっているかをイメージすることができました。彼らは、スイートスポットの厚さで、ライナーが爆縮の間その形状を保持していることを発見しました. 「予想通りのパフォーマンスでした」と McBride 氏は言います。チームは、来年中に他の 2 つの機能強化 (レーザー予熱と磁気ブランケット) をテストし、2013 年末までに損益分岐点を達成するためにすべてをまとめることを目指しています。
今年の初め、Slutz と彼のチームは PRL で他のシミュレーションを公開しました。 これは、より高い電流 (たとえば 6000 万アンペア) を生成するために、より強力なパルス発生器を構築した場合、システムは損益分岐点だけでなく、高ゲインを達成できることを示していました。言い換えれば、MagLIF は、商用の核融合発電所に必要な種類のエネルギーを生成することができます。
「サンディアが磁化ターゲット核融合を発見したことに興奮しています…Zマシンで大きな利益を得る道です.私たちは同意し、彼らの実験がそれを試す機会を得ることを願っています.ニューメキシコ州ロスアラモス国立研究所。
