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プラズマ物理学者が核融合炉に発砲するたびに、ハードウェアの大部分が煙に包まれます。彼らの Z マシンには、1,000 個の稲妻よりも多くの電気エネルギーで満たされるコンデンサーのバンクが含まれています。スイッチを入れると、2000 万アンペアの電流が、燃料が満たされた鉛筆の消しゴムほどの大きさのシリンダーに向かって流れます。電流は圧倒的な磁場を誘発し、チューブを非常に速く猛烈に締め付け、内部の水素原子が融合してヘリウムになり、高エネルギーの中性子とヘリウム原子核 (粒子として知られる) の爆発を放出します。爆風は、小さなチューブを保持する複雑なハードウェア、つまり 10 キログラムの固体金属を気化させます。 「私たちは基本的に、ダイナマイトに相当するエネルギーを 3 本供給しています」と、プロジェクトのマネージャーであるマイク クネオは言います。 「その後、幅 1 フィートのクレーターがあります。」
物理学者は現在、リスクと報酬の両方を伴う熱核兵器で使用される貴重な燃料を追加することにより、さらに大きな爆発を起こす準備をしています。近年発表された計算、シミュレーション、および実験結果は、サンディアのマシンが、レーザーで燃料を爆破したり、トカマクと呼ばれる原子炉に閉じ込めたりする他のアプローチよりも、自立核融合へのより迅速かつ安価な道を提供できることを示唆しています。しかし、これまでのところ、Z マシンは主に重水素 (原子核に 1 つの中性子を持つ水素) に対して怒りを解き放ち、限られた量の核融合エネルギーを放出しています。しかし、8 月には、研究者はトリチウム (2 つの中性子を持つ水素) を少し追加しました。今後 5 年間で、テストは重水素とトリチウム (DT) の 50-50 の混合物まで徐々に増加します。
50-50 DT 燃料の核融合は、重水素のみの核融合の 60 倍から 90 倍の中性子を放出し、DT 核融合から放出される中性子と α 粒子のそれぞれは、重水素のみの核融合の 4 倍以上のエネルギーを運びます。燃料中のトリチウム レベルが 50% に向かって上昇すると、エネルギー収量が急増するはずです。
他の融合の取り組みも同じ道をたどっています。 1997 年、イギリスのアビンドンにあるトカマクであるジョイント ヨーロピアン トーラス (JET) は、50 ～ 50 DT を燃やして 16 メガワットの電力を生成しましたが、1 秒未満でした。そのショットは、今日でも残っている核融合出力の記録を打ち立てました。しかし、JET の原子炉壁のグラファイトが出力を制限していました。 「炭素はトリチウムのスポンジのようなものなので、注入したトリチウムの約 17% が壁にくっつきました。 2019 年の DT 実験の新しいラウンド。フランスのカダラッシュ近くで建設中の予算超過で期限切れの国際トカマクである ITER は、最終的に DT を使用して、投入されるよりもはるかに多くの電力を核融合から解放するという使命を負っています。
磁場を使用して高温プラズマのかすかなリングを安定化させるトカマクとは異なり、Z マシンは慣性と磁気ケージに依存して、マイクロ秒のショット中に過熱された燃料を保持します。磁気慣性核融合と呼ばれるこのアプローチは、カリフォルニア州ローレンス リバモア国立研究所の国立点火施設 (NIF) で行われているような核融合の取り組みと共通点が多く、そこでは 1 兆ワットのレーザーが燃料のペレットをザッピングして核融合を引き起こします。サンディアと NIF の科学者は、トリチウムがグラファイトに失われることを心配する必要はありません。さらに、Cuneo は、NIF とは異なり、Z マシンの磁場は、出現する α 粒子を減速させ、磁力線に沿ってトラップし、核融合を維持するためにより多くのエネルギーを注ぎ込むことができると述べています。
サンディアは、現在 DT を使用している 3 つの融合センターのうちの 1 つです (下の表を参照)。 1 つの問題はコストです。トリチウムは、自然の貯蔵場所がないため、1 グラムあたり数万ドルの費用がかかります。核分裂の副産物として原子炉で生成されます。
もう一つの問題は安全性です。 「トリチウムは放射性が低く、半減期は 12 年なので、規制により取り扱いには十分注意する必要があります」と、ニュージャージー州のプリンストン プラズマ物理学研究所 (PPPL) の研究者である Rich Hawryluk は述べています。さらに、DT 核融合からの中性子が鉄の部品に当たり、わずかに放射性を帯びます。そのため、PPPL が 1990 年代に DT を実行した後に原子炉を閉鎖したとき、部屋サイズの容器はコンクリートで満たされ、スライスされ、ワシントン州のハンフォード原子力保護区に埋められました。
空気中の湿度を含む水の存在下で、トリチウムは純粋な T2 より少なくとも 1 万倍も生物学的に有害なトリチウム水を形成する可能性があります。 ガス、Hawryluk は言います。これは、電気部品を油と水のプールで絶縁する Z マシンにとって特別な懸念事項です。 「私たちは、トリチウムがそこに入ることを望んでいません」と Cuneo は言います。
NIF では、輸送中にトリチウムが小さな球体に含まれているため、トリチウムの危険性が少なく、作業員が機械の内部に立ち入ることはあまりありません。対照的に、サンディアのカプセルは両端が開いており、激しい爆縮により未燃焼のトリチウムが気化した金属と混ざり合い、あらゆる場所に飛散します。 「ショットごとにアクセルの中心を完全に交換する必要があります」と Cuneo 氏は言います。
それにもかかわらず、サンディアは、物理学があまり理解されていない短寿命プラズマの最も高温で高密度の部分で何が起こっているかを明らかにする余分な中性子を生成するため、トリチウムで前進しています.クーネオ氏によると、来年 3 回の撮影が予定されており、ターゲットの周囲からトリチウム封じ込めシステムを取り外して、空気パージ安全システムをテストし、中性子をより鮮明に観察する予定です。
「トリチウムの割合はわずか 10 分の 1 ですが、最近の結果に興奮しています」と彼は付け加えます。 「トリチウムをまったく使用できるという信念には障壁がありました。」
*訂正、11 月 17 日午前 9 時 44 分: この話の以前のバージョンでは、JET トカマクのグラファイト壁によって吸収されたトリチウムの量を誤って誇張していました.
