凸凹トーラス

バンピートーラスは、一連の磁気ミラーを端から端まで接続して閉じたトーラスを形成する磁気核融合エネルギー装置の一種です。これは、1960年代にオークリッジ国立研究所のレイ・ダンドル率いるチームによって行われた発見に基づいています。^[1]

従来の磁気ミラー設計の主な欠点は、両端からのプラズマ漏れが多すぎることです。バンピー トーラスは、複数のミラーを連結して、1 つのミラーから漏れた燃料が別のミラーに流れるようにすることで、この問題に対処します。プラズマを構成する燃料イオンがミラー セル間の漏れ電流よりも高い密度でミラー内に集中する傾向があるため、「バンピー」と呼ばれます。別の説明では、磁場はミラー間の部分の中心よりも狭いということです。^[2]このような配置はそれ自体では安定せず、ほとんどのバンピー トーラス設計では、二次磁場または相対論的電子を使用して、リアクター内に安定した磁場を作り出します。

バンピー・トーラスの設計は、1960年代に始まり、オークリッジ国立研究所のELMO（ELectro M agnetic O rbit）バンピー・トーラスの登場により1986年まで活発に研究が続けられた分野であった。^[3] 特に、次のように説明されているものがある。「一連の磁気ミラーマシンを端から端まで並べてねじってトーラス状にしたと想像してください。1つのミラーキャビティから漏れたイオンまたは電子は、別のミラーセルに入ります。これがバンピー・トーラスを構成します。」^[4]これらの問題が明らかになり、この概念に関する研究のほとんどが終了しました。

磁気ミラーは、物理的な複雑さの点で最も単純な磁気核融合エネルギー装置の一つです。主に両端に強力な磁石が付いた円筒で構成されていますが、実際には円筒部分 (技術的にはソレノイド) には磁場をより適切に形作るためにそれほど強力ではない磁石が並べられています。結果として生じる磁場は、おおよそ葉巻の外側のような形をしており、円筒の中央が広く、両端が狭くなっています。

プラズマは、荷電粒子、電子、および使用される核融合燃料の原子核(イオン)のガスで構成されています。磁場が存在すると、荷電粒子は磁力線の周りを回ります。また、荷電粒子は磁力線に沿って運動量を持ち続けるため、実際には磁力線を中心とした螺旋運動が発生します。

ミラーは、この動きがシリンダーの両端に「閉じ込められる」という仕組みで機能します。イオンが両端に近づくと、他の磁力線が同じ場所に収束し、上昇する磁場を作り出します。適切な条件が整えば、イオンは動きを逆転させ、基本的に増加する磁場から跳ね返ります。これがミラーという名前が付けられた理由です。マクロ的な時間では、個々のイオンは 2 つのミラー コイルの間を前後に跳ね返り、デバイス内に閉じ込められたままになります。

どのような磁場配置でも、端に近づくにつれて曲がらない磁力線が常にいくつか残ります。最も顕著なのは、鏡の中央を通る線です。これらの線を周回するイオンは逃げることがあります。さらに、どのような磁力強度でも、反射しないほどのエネルギーを持つ粒子が常にいくつか存在し、これらも逃げます。計算によると、逃げる率は原子炉を長時間稼働させるのに十分なほど低いことが示唆されました。

制御核融合計画の初期段階で、このような装置では磁場の配置に自然な不安定性があることが指摘されていました。磁場に凸面がある領域では、イオンが衝突したときに元の軌道の外側に移動しようとする自然な傾向があります。この動きの結果、イオンは閉じ込め領域を外側にさまよいます。特定の領域で十分な数のイオンがこの動きをすると、その電荷によって磁場が変化し、曲率がさらに増加し​​ます。その結果、暴走効果が発生し、プラズマが閉じ込め領域から溢れ出します。この問題は交換不安定性として知られるようになり、1950 年代後半のすべてのミラーに特有のものであることが判明しました。

交換不安定性は磁場の凸面部分によって引き起こされましたが、英国の研究者によって、その逆も真であることがすぐに示されました。つまり、凹面の磁場では、プラズマが凹面の「内側」にあるため、自然に安定します。これは「最小 B 構成」として知られるようになりました。他の理由により燃料が漏れないような磁場配置を実際に作ることは困難ですが、1960 年代半ばまでに、いくつかの有望な設計、特に「テニス ボール」または「野球ボール」構成、および後に陰陽コンセプトが登場しました。これらすべてには、はるかに複雑で、任意の量のプラズマに対してサイズが大きいという欠点があり、設計の価格性能に悪影響を及ぼします。

凹凸のあるトーラスは、ミラーの交換不安定性と端からの自然な漏れの両方の問題を修正する試みです。

漏れを制御するために、多数のミラーが端から端まで接続されました。これだけでは漏れは減りませんでしたが、粒子が別のミラーに漏れるようになりました。これは一見明らかなように思われますが、このアプローチの問題点は、結果として生じる磁場が軸に沿って直線ではなくなり、曲線になるため、交換不安定性の割合が増加することです。ただし、単一のミラーセルを調べるのではなく、マシン全体を考慮すると、全体の磁場はネットの最小 B 構成として配置できます。^[5]

凹凸のあるトーラスによって生じる磁場は、抵抗性バルーニングモードという別の問題を引き起こす。オークリッジ国立研究所のELMOチームは、高エネルギー（「ホット」）電子をミラー閉じ込め磁場の外側と原子炉自体の外側の間の空間に注入することで、この問題を制御することを提案した。これらの電子は、ミラーの自然磁場を原子炉の壁から遠ざける第2の磁場を生成し、全体として磁場を修正してバルーニングモードを軽減する。^[5]

凸凹トーラス設計の最初の例は、1972年にオークリッジ国立研究所のELMOとして建設されました。^[6]当初、設計は有望な結果を示しましたが、新しい診断システムが追加されるにつれて、システムが設計どおりに機能していないことが明らかになりました。特に、電子殻のコンセプトは予想ほど強力ではなく、さらに問題として、マイクロ波加熱システムの効率は予想よりもはるかに低いことが判明しました。^[5]

同様のシステムが名古屋に建設され、磁場を直接測定したところ、電子によって生成された磁場のわずか数パーセントしか閉じ込め領域の内部に到達しておらず、不安定性を相殺するには十分ではないことが実証されました。1988年に磁場全体を再検討した結果、電子の閉じ込めでは必要な条件が作り出されないことが示唆され、この概念に対するさらなる関心は終わりました。^[5]

• グループ、 EBT (1985年9 月)。「ELMO バンピー トーラス プログラム」。核融合。25 ( 9): 1271–1274。doi :10.1088/0029-5515/25/9/046。S2CID  250782537。 {{cite journal}}:|last=一般的な名前があります (ヘルプ)
• Braams, CM; Stott, PE (2002)。核融合：磁気閉じ込め核融合研究の半世紀。CRC Press。Bibcode : 2002nfhc.book.....B。