双円錐カスプ

バイコニックカスプはピケットフェンスリアクターとも呼ばれ、核融合炉におけるプラズマ閉じ込めの最も初期の提案の1つでした。^[1]これは、2つの平行な電磁石で構成され、電流が反対方向に流れ、反対方向の磁場を生成します。2つの磁場が相互作用して、その間に核融合燃料を閉じ込めることができる「ヌル領域」を形成します。

この概念は、1953 年にエドワード テラーが提起した問題への反応として生まれました。テラーは、凹状の磁場の内側にプラズマを保持する設計は、当然不安定になるだろうと指摘しました。カスプ概念では、磁場は凸状で、プラズマは装置内部の磁場がほとんどないかまったくない領域に保持されます。この概念は、1954 年にニューヨークのクーラント研究所のハロルド グラッドとロスアラモスのジェームズ L. タックによってそれぞれ独立して発表されました。

当初、テラーの問題は他の初期の核融合装置では見られなかったため、この設計にはほとんど関心が寄せられませんでした。1950 年代後半までに、これらの装置はすべて深刻な問題を抱えており、テラーの問題はそのうちの 1 つに過ぎないことが明らかになりました。これにより、カスプへの関心が再び高まり、1960 年代初頭まで、この概念をテストするためにいくつかの装置が製造されました。これらの装置はすべて、予想よりもはるかに高い速度で燃料プラズマを漏出させ、この概念に関する作業のほとんどが 1960 年代半ばまでに終了しました。ミハイル イオッフェは後に、これらの問題がなぜ発生したかを実証しました。

カスプとデザインを一部共有する後発のデバイスは、 1990 年代のポリウェルコンセプトです。これは、3 次元に配置された複数のカスプと考えることができます。

1953年、現在では有名だが当時は秘密会議だった会議で、エドワード・テラーはフルート不安定性の理論的問題を提起した。これは、曲率の外側ではなく曲率の内側にプラズマを閉じ込める核融合装置は、当然不安定になり、急速にプラズマを放出するだろうということを示唆していた。この種の「悪い曲率」は、Zピンチ、ステラレータ、磁気ミラーなど、当時のほぼすべての設計に存在していた。これらの設計はすべて、凹面の内側にプラズマがある曲線を描いており、不安定になると予想されていた。^[2]

当時、製造されていたごく初期の機械ではこの問題の証拠は見られなかったが、いずれにしても決定的にそれを示すには小さすぎた。他の不安定性も見られ、その中には非常に深刻なものもあったが、フルートは現れなかった。それでも、多くの研究者が、この種の磁場配置を使わず、自然に安定する新しい概念を検討し始めた。カスプの概念は、1954年にロスアラモスのジェームズ・L・タックとニューヨーク大学のハロルド・グラッドによって独立して開発された。^[3]タックの設計は、一列に並んだ一連のカスプで構成されていた点でグラッドの設計と大きく異なっていた。^[4]単一カスプバージョンは、概念をテストするためのより単純な装置と見なされ、そのような機械の1つ用の磁石アセンブリがロスアラモスで製造された。^[3]

ロスアラモスの計算では、磁力線が「開いている」ためプラズマが反応炉から逃げ出し、特定の軌道をたどるイオンは自由にコアから出ることができると指摘された。これは、ピケットフェンスがどれだけ安定していてもプラズマを急速に失うことを意味し、発電反応炉としては役に立たない。それにもかかわらず、不安定な装置よりも長くプラズマを保持し、他の装置では不可能な測定を行う時間を与えることができれば、実験目的には役立つ可能性がある。グラッドの研究は別の解決策を見つけた。低密度ではプラズマの漏れは速いが、高密度ではイオンと電子の自己反発によりプラズマがずっと長い時間閉じ込められる。これを実現するにはいくつかの方法があるようだ。^[5]

このシステムについてさらに検討される前に、他の設計の新しいバージョンから得られた結果はすべて、テラーの問題が単に認識されていないか、少なくとも予測をはるかに下回っていることを示唆しているようだった。その中でも、ピンチの概念は深刻な問題を示していたが、タックと他の研究者はシステムの研究を続け、新しい解決策を導入していた。その結果得られた「安定化ピンチ」は安定性の問題を解決したように見え、英国のZETA原子炉を筆頭に、はるかに大きなピンチ マシンの新しいシリーズが構築され始めた。他のアプローチが核融合を生み出す寸前であるように思われたため、カスプへの関心は低下した。^[2]ロスアラモスの磁石アセンブリは保管された。^[3]グラッドのグループも 1956 年後半までにこの概念をほぼ放棄した。^[6]

1958年初頭、イギリスはZETAが核融合を起こしたと発表した。数か月後、イギリスは撤回を発表せざるを得なくなり、彼らが見た中性子は核融合イベントによるものではなく、これまで見られなかった新しいタイプの不安定性であると指摘した。その後1年間で、同様の問題がすべての設計で見られ、進歩の幻想は打ち砕かれた。^[7]

問題が研究されるにつれ、カスプ設計に関する当初の研究が再検討された。ロスアラモスの初期の装置の電源は何年も倉庫に眠っていたが、その後取り出され、シングルカスプのピケットフェンスIの製造に使用された。そのシンプルさから、ゼネラルアトミックス、リバモア、ハーウェル、ユトレヒト大学、ハリコフ研究所、スティーブンス工科大学などで同様のシステムが製造された。 ^[3]

1960 年までに、ピケット フェンスは初期の問題をいくつか克服しました。高温プラズマから放出される光を測定した当初の結果では、光は最大 1 ミリ秒安定していると示唆されていましたが、その後の診断で、これはわずか数マイクロ秒であり、光は一種の残光の結果であることが示されました。デバイスの改良により大幅な向上が見られ、プラズマの閉じ込めは約 50 マイクロ秒に改善されましたが、^[3]これはまだ望ましい値にはほど遠いものでした。

このシステムの磁場は、近接して配置された電磁石によって作られました。これは、プラズマを封じ込める方法をモデル化するために使用された理論的な構成でした。磁場は、互いに向き合った 2 つのワイヤ コイルによって作られました。これらの電磁石には、互いに向き合った極があり、中央には磁場のゼロ ポイントがありました。これは、ゼロ ポイント フィールドとも呼ばれます。これらのデバイスは、1950 年代後半から 1960 年代前半にかけて、ニューヨーク大学クーラント研究所のハロルド グラッド博士によって理論的に研究されました。^{[8] [9] [10]} フィールドは平面対称であるため、このプラズマ システムのモデル化は簡単でした。

これらの形状のシミュレーションにより、3 つのクラスの粒子が存在することが明らかになりました。^{[11]最初のクラスは、}ヌル ポイント から遠く離れたところを前後に移動します。これらの粒子は、電磁石の極と中央の平面カスプの近くで反射されます。この反射は、磁気ミラー効果によるものです。^{[12] [13]} これらは非常に安定した粒子ですが、時間の経過とともにエネルギーを放射するため、その動きは変化します。この放射損失は、磁場による加速または減速によって発生し、ラーモアの公式を使用して計算できます。^[14] 2 番目の粒子は、中央のヌル ポイントの近くを移動しました。粒子は磁場のない場所を通過するため、無限のジャイロ半径で直線的に移動できます。この直線的な動きにより、粒子は磁場をより不規則に通過します。3 番目のクラスの粒子は、これらのタイプ間の遷移です。バイコニック カスプは、ポリウェル核融合炉に形状が似ているため、最近復活しました。^[15]

• タック、ジェームズ（1954 年 10 月）。ピケット フェンス（PDF）。熱核反応に関する会議。pp. 278–285。
• ビショップ、アマサ (1958)。「シャーウッド計画：米国の制御核融合プログラム」米国原子力委員会。
• 「ロスアラモスのサイエンス（ノン）フィクション」ARSジャーナル30 （ 8）。1960年8月。

双円錐カスプシミュレーション作業