衝突ビーム核融合

衝突ビーム核融合（CBF）または衝突ビーム核融合炉（CBFR）は、さまざまな粒子加速器設計またはその他の手段を使用して、核融合エネルギーまで独立して加速される2つ以上の交差する核融合燃料 イオンビームに基づく核融合電力概念の一種です。ビームの1つを静的ターゲットに置き換えることもできます。その場合、このアプローチは加速器ベースの核融合またはビームターゲット核融合と呼ばれますが、物理的には衝突ビームと同じです。^[1]

CBFR は、核融合発電の候補として真剣に検討される可能性を制限するいくつかの問題に直面しています。2 つのイオンが衝突すると、融合するよりも散乱する可能性の方が高くなります。磁気閉じ込め核融合炉は、バルク プラズマを使用してこれを一定時間閉じ込め、イオンが何千回も衝突する機会を与えることで、この問題を克服します。2 つのビームが衝突すると、ビームが飛び散る前にイオンが相互作用する時間がほとんどなくなります。これにより、ビーム ビーム マシンが生成できる核融合発電の量が制限されます。

CBFR は、バルク燃料を加熱するのではなく、個々の粒子を直接加速することで、核融合の活性化エネルギーを提供するより効率的な方法を提供します。CBFR の反応物は本来非熱的であるため、特に非中性子核融合燃料のクーロン障壁を克服するのに十分なエネルギーを直接運ぶことができるという利点があります。Migma、MARBLE、MIX、その他のビームベースのコンセプトなど、いくつかの設計では、以前の CBFR の欠点に対処しようとしました。これらは、電波を適用したり、ビームを束ねたり、再循環を増やしたり、量子効果を適用したりすることで、CBFR の基本的な課題を克服しようとしています。これらのアプローチはいずれもまだ成功していません。

核融合は、原子が接近し、核力がそれらの核を引き寄せて 1 つの大きな核を形成するときに発生します。このプロセスに対抗するのは、原子核の正電荷であり、静電気力により互いに反発します。核融合が発生するには、原子核がこのクーロン障壁を克服するのに十分なエネルギーを持っている必要があります。正電荷が少ない原子、つまり陽子の数が最も少ない原子では、障壁は低くなります。核力は、核子、つまり陽子と中性子の合計数が増えるにつれて増加します。つまり、重水素と三重水素の組み合わせは、約 100 keV でクーロン障壁が最も低くなります (核融合の要件を参照)。^[2]

燃料が高エネルギーに加熱されると、電子は原子核から分離し、個々のイオンと電子がガス状のプラズマに混ざった状態になります。ガス中の粒子は、マクスウェル・ボルツマン分布として知られるスペクトルの広いエネルギー範囲にわたって分布しています。どの温度でも、粒子の大部分は低エネルギーにあり、「長い尾」にははるかに高いエネルギーにある少数の粒子が含まれます。したがって、100 keV は 10 億度を超える温度を表しますが、核融合イベントを発生させるためには、燃料全体をこの温度に加熱する必要はありません。混合物に含まれる高エネルギー粒子の数が少ないため、より低い温度でもいくつかの反応が発生します。^[2]

核融合反応は大量のエネルギーを放出し、そのエネルギーの一部は燃料に還元されるため、これらの反応は燃料を加熱します。反応速度、つまり放出されるエネルギーが環境への損失と釣り合う臨界温度があります。この時点で反応は自立的になり、点火と呼ばれます。DT燃料の場合、その温度は5000万度から1億度の間です。核融合の全体的な速度と正味のエネルギー放出は、核融合三重積と呼ばれる温度、密度、エネルギー閉じ込め時間の組み合わせに依存します。^[2]

核融合発電の問題に取り組むために、2 つの主要なアプローチが開発されました。慣性閉じ込めアプローチでは、燃料は急速に非常に高い密度に圧縮され、断熱プロセスによって内部温度も上昇します。これらの状態を一定期間維持する試みはなく、力が解放されるとすぐに燃料は外側に爆発します。閉じ込め時間はマイクロ秒のオーダーであるため、燃料のかなりの量が核融合を起こすには、温度と密度が非常に高くなければなりません。このアプローチは核融合反応の生成に成功していますが、これまでのところ、圧縮を提供できるデバイス (通常はレーザー)は、反応が生成するよりもはるかに多くのエネルギーを必要とします。^[2]

より広く研究されているアプローチは、磁気閉じ込めです。プラズマは電気的に帯電しているため、磁力線に沿って進み、適切な磁場配置により燃料を容器の壁から遠ざけることができます。その後、燃料は長時間加熱され、尾部の燃料の一部が融合し始めます。磁石を使用して可能な温度と密度では、融合プロセスはかなり遅いため、このアプローチでは数十秒または数分の長い閉じ込め時間が必要です。このような時間スケールで数百万度のガスを閉じ込めることは困難であることが証明されていますが、最新の実験機械は、純電力生産、つまり「損益分岐点」に必要な条件に近づいています。^[2]

クーロン障壁を克服するために必要なエネルギーレベルは、DT燃料の場合約100keVで、数百万度に相当しますが、これは最小の粒子加速器でも提供できるエネルギー範囲内です。たとえば、1932年に建設された最初のサイクロトロンは、テーブルの上に収まる装置で4.8MeVを生成することができました。^[3]

最初の地球上の核融合反応は、ケンブリッジ大学のキャベンディッシュ研究所の装置によって作り出された。1934年、マーク・オリファント、ポール・ハートック、アーネスト・ラザフォードは、電子銃に似た装置に新しいタイプの電源装置を使用し、重水素、リチウム、またはその他の軽元素を注入した金属箔に重水素原子核を発射した。この装置により、彼らはさまざまな反応の核断面積を研究することができ、100keVという数字を生み出したのも彼らの研究によるものである。^[4]

重陽子が金属箔の重水素原子に衝突する確率は、無視できるほど小さい。実験が成功したのは、実験が長時間にわたって行われ、実際に起こったまれな反応があまりにも強力で見逃すことができなかったからにすぎない。しかし、発電システムの基礎としては、この実験は単純に機能しない。加速された重陽子の大部分は衝突することなく箔を通り抜け、加速に投入されたエネルギーはすべて失われる。実際に起こる少数の反応は、加速器に投入されたエネルギーよりもはるかに少ないエネルギーしか放出しない。^{[4] [1]}

多少関連のある概念は、第二次世界大戦直後にロスアラモスのスタニスワフ・ウラムとジム・タックによって研究された。このシステムでは、キャベンディッシュ実験のように重水素が金属に注入されたが、その後円錐状に形成され、成形炸薬弾頭に挿入された。このような弾頭2つが互いに向けられて発射され、衝突する重水素化された金属の高速ジェットを形成した。これらの実験は1946年に実施されたが、核融合反応の証拠は得られなかった。^[5]

ビームターゲット核融合システムの構築の難しさを説明するために、有望な核融合燃料の1つである陽子-ホウ素サイクル（p-B11）を考えてみます。^[6]

ホウ素は高度に精製された固体ブロックに形成され、水素ガスをイオン化することで陽子が簡単に生成されます。陽子は加速されてホウ素ブロックに発射され、反応によりいくつかのアルファ粒子が放出されます。これらは静電システムで収集され、ランキンサイクルや同様の熱駆動システムを使用せずに直接電気を生成することができます。反応は中性子を直接生成しないため、安全性の面でも多くの実用的な利点があります。^[7]

衝突の可能性は、陽子のエネルギーが約 675 keV のときに最大になります。陽子が融合すると、アルファは合計 8.7 MeV を運び去ります。そのエネルギーの一部である 0.675 MeV は、プロセスを継続するために新しい陽子を生成するために加速器にリサイクルされる必要があり、生成と加速のプロセスが 50% を超える効率になることはほとんどありません。それでも、サイクルを閉じるのに十分な正味エネルギーが残ります。ただし、これはすべての陽子が融合イベントを引き起こすことを前提としていますが、これは起こりません。反応の確率を考慮すると、結果として生じるサイクルは次のようになります。

E _net = 8.7 MeVζ _p ζ _B - 0.675 MeV ^[8]

ここで、ζ _pとζ _{B は}、任意の陽子またはホウ素が反応を起こす確率です。整理すると、次のようになります。

ξ _p ξ _B = 0.67 MeV / 8.6 MeV = 1 ⁄ 13 ^[8]

つまり、損益分岐点に達するには、少なくとも1 ⁄ 13の粒子が融合する必要があります。陽子がホウ素と衝突する機会を確保するには、陽子が多数のホウ素原子を通過する必要があります。衝突率は次のようになります。

n_イベント= σ ρ d ^[8]

ここで、σは陽子とホウ素の間の核断面積、ρはホウ素の密度、d は陽子が核融合反応を起こす前にホウ素を通過する平均距離です。p-B11 の場合、σは 0.9 x 10 ⁻²⁴  cm ⁻²、ρは 2.535 g/cm ³で、d は約 8 cm です。ただし、ブロックを通過すると、陽子は通過するホウ素原子をイオン化し、陽子の速度が低下します。0.675 MeV では、このプロセスにより陽子は約 10 ⁻⁴  cm で keV 未満のエネルギーに減速しますが、これは必要な速度よりも桁違いに小さい値です。^[8]

単一の加速器と動かないターゲットの代わりに、互いに発射する2つの加速器を使用することで、状況はいくらか改善される可能性があります。この場合、2番目の燃料（上記の例ではホウ素）はすでにイオン化されているため、固体ブロックに入る陽子によって見られる「イオン化抵抗」は排除されます。^[9]

ただし、この場合、固体ターゲットが存在しないため、特性相互作用長の概念は意味を持ちません。代わりに、これらのタイプのシステムでは、反応断面積とイベント数を組み合わせた項である ビーム輝度L を使用するのが一般的です。この項は通常、次のように定義されます。

L = ⁠1/σ⁠ ⁠dN​/d t⁠ ^[10]

この議論では、衝突頻度を抽出するためにこれを再配置します。

⁠dN​/d t⁠ = σ L ^[10]

これらの衝突はそれぞれ8.7MeVのエネルギーを生み出すので、⁠dN​/d t⁠ は電力を与えます。N回の衝突を生成するには光度 L が必要であり、L を生成するには電力が必要なので、与えられた L を生成するために必要な電力量は次のように計算できます。

L = ⁠ポ/σ 8.76 MeV⁠ ^[11]

Pを小型風力タービンに相当する1MWに設定すると、Lは10 ⁴²  cm ⁻² s ⁻¹となる。^{[10]比較すると、2017年に}大型ハドロン衝突型加速器（LHC）によって記録された光度の世界記録は2.06 x 10 ³⁴  cm ⁻² s ⁻¹であり、7桁以上も低すぎた。^[12]

相互作用断面積が極めて小さいことを考えると、反応領域に必要な粒子の数は膨大で、既存の技術をはるかに超えています。しかし、これは問題の粒子がシステムを1回しか通過しないことを前提としています。衝突を逃した粒子を、エネルギーを保持して粒子が複数回衝突する機会を持つ方法でリサイクルできれば、エネルギーの不均衡を減らすことができます。^[9]

解決策の 1 つは、2 ビーム システムの反応領域を強力な磁石の極の間に配置することです。磁場により、電荷を帯びた粒子は円軌道に曲がり、再び反応領域に戻ります。ただし、このようなシステムでは粒子の焦点が自然にずれるため、粒子を元の軌道に戻すのに十分正確ではなく、必要な密度を生成することができません。^[9]

より良い解決策は、ビームの精度を維持するための集束システムを備えた専用の貯蔵リングを使用することです。しかし、これらは比較的狭い範囲の元の軌道の粒子しか受け入れません。2つの粒子が接近して斜めに散乱すると、貯蔵領域にリサイクルされなくなります。 ^[1]このような散乱による損失率は核融合率よりもはるかに高いことは簡単に示せます。^[9]

この散乱問題に対処するために多くの試みがなされてきました。

ミグマ装置は、おそらく再循環問題を解決するための最初の重要な試みです。この装置は、事実上、異なる場所と角度で配置された無限の数のストレージリングであるストレージシステムを使用します。これは、追加されたコンポーネントやハードウェア構成によってではなく、広くて平らな円筒形の真空チャンバー内の磁場を慎重に配置することによって行われます。非常に高い角度の散乱イベントを経験したイオンのみが失われ、計算によると、これらのイベントの速度は、任意のイオンが散乱する前に反応領域を10 ⁸回通過するほどです。これは、正のエネルギー出力を維持するのに十分です。^[13]

いくつかのミグマ装置が作られ、ある程度の見込みが示されたが、中規模装置以上の進歩はなかった。空間電荷限界を考慮したいくつかの理論的な懸念が提起され、燃料の密度を有用なレベルまで高めるには、それを閉じ込めるための巨大な磁石が必要になることが示唆された。資金調達ラウンドの間、このシステムはさまざまなエネルギー機関との激しい議論に巻き込まれ、1980年代にさらなる開発は終了した。^[14]

同様のコンセプトは、カリフォルニア大学アーバイン校のノーマン・ロストカー教授のアイデアを主にベースとした、TAEテクノロジーズ（旧称トライアルファ・エナジー（TAE））によっても試みられている。1990年代初頭の初期の出版物では、従来の交差型ストレージリングと再収束装置を使用した装置が紹介されているが、1996年以降の文書では、燃料イオンをフィールド反転構成（FRC）に発射するまったく異なるシステムが使用されている。^[15]

FRC は、渦輪と厚壁のチューブを組み合わせたような形状のプラズマの自己安定配置です。磁場により粒子がチューブの壁の間に閉じ込められ、高速で循環します。TAE は、まず安定した FRC を生成し、次に加速器を使用して追加の燃料イオンを発射して閉じ込める予定です。イオンは FRC からの放射損失を補い、 FRC に磁気ヘリシティをさらに注入してその形状を維持します。加速器からのイオンが衝突して核融合が発生します。^[15]

このコンセプトが初めて発表されたとき、雑誌ではいくつかの否定的なレビューが寄せられました。^{[16] [17]}これらの問題は説明され、いくつかの小さな実験装置が構築されました。 2018年現在^{[アップデート]}、このシステムの最も優れたパフォーマンスは、損益分岐点から約10- ^​​12離れています。 2019年初頭、このシステムは従来のDT燃料を使用して開発されることが発表され、会社は社名をTAEに変更しました。^[18]

原子炉として、いくつかのタイプの慣性静電閉じ込め(IEC) 装置が提案されています。

IECデバイスの典型的な例はフューザーです。典型的なフューザーには、真空中に2つの球状の金属ケージがあり、一方がもう一方の内側にあります。2つのケージの間には高電圧がかけられています。燃料ガスが注入されます。^{[19] [20]}燃料はイオン化し、内側のケージに向かって加速されます。内側のケージを逃したイオンは融合する可能性があります。

核融合炉は伝統的にビームを使用しないため、CBFR ファミリーの一部とは見なされません。

核融合炉としてのフューザーには多くの問題がある。その 1 つは、電気グリッドが強い機械的力で引っ張られるほどに充電され、グリッド材料をどれだけ小さくできるかが制限されることだ。その結果、イオンとグリッドの衝突率が最小になり、システムからエネルギーが失われる。さらに、これらの衝突により金属が燃料に剥がれ落ち、放射によって急速にエネルギーが失われる。グリッド材料を可能な限り小さくしても、イオンとの衝突によってシステムからエネルギーが核融合率よりも速く失われるほどの大きさがあるのか​​もしれない。さらに、そのようなシステムからの X 線放射も同様に、核融合が供給できるよりも速くエネルギーが失われることを示唆する損失メカニズムがいくつかある。^[20]

2017年、メリーランド大学はN体ビームシステムをシミュレートし、再循環イオンビームが核融合条件に到達できるかどうかを判断しました。モデルは、核融合エネルギーに必要な十分な密度に到達できないため、このコンセプトは根本的に限界があることを示しました。

グリッド衝突の問題を回避する試みは、ロバート・ブサードのポリウェル設計で行われた。これは、カスプ磁場配置を使用して、捕捉された電子からなる「仮想電極」を生成する。その結果、フューザーのグリッドワイヤによって生成される加速場と同様の加速場が生成されるが、ワイヤは存在しない。仮想電極内の電子との衝突は起こり得るが、フューザーとは異なり、剥離した金属イオンによる損失は発生しない。^[21]

ポリウェルの最大の欠点は、長時間プラズマを負に保てないことである。実際には、負電荷は大量に発生してもすぐに消えてしまう。さらに、1995 年のトッド ライダーの分析によると、非平衡プラズマを持つシステムは制動放射によって急速にエネルギーが失われる。制動放射は、荷電粒子が急速に加速されて X 線を放射し、エネルギーを失うときに発生する。フューザーとポリウェルの両方を含む IEC デバイスの場合、反応領域に入る最近加速されたイオンと低エネルギーのイオンおよび電子との衝突によって制動放射の下限が形成され、これは核融合の可能な速度よりもはるかに高いと思われる。^[22]

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