フューザー

核融合は、原子核が核力によって引き寄せられて一つの大きな原子核になる距離まで接近したときに起こります。この接近に抵抗するのは原子核内の正電荷であり、静電気力によって原子核を互いに引き離します。核融合反応を起こすには、原子核はクーロン障壁を乗り越えるのに十分な初期エネルギーを持っていなければなりません。核力は陽子と中性子の核子の数とともに増加し、電磁力は陽子の数のみとともに増加するため、最も融合しやすい原子は水素の同位体、中性子を1つ持つ重水素、中性子を2つ持つ三重水素です。水素燃料の場合、 反応を起こすには約3～10 keVが必要です。^{[ 19 ]}

従来の核融合発電のアプローチでは、一般的に、燃料を、結果として生じるエネルギーのマックスウェル・ボルツマン分布が十分に高くなり、ロングテールの粒子の一部が必要なエネルギーを持つようになる温度まで加熱しようと試みてきました。^{[ 19 ]}この場合、十分に高いとは、核融合反応の速度が、環境へのエネルギー損失を相殺するのに十分なエネルギーを生成し、周囲の燃料を同じ温度まで加熱して、点火 として知られる自己持続反応を生成するような温度です。計算によると、これは約5000万ケルビン（K）で発生しますが、実用的な装置では1億K程度のより高い数値が望ましいです。極めて高い温度のため、核融合反応は熱核反応とも呼ばれます。   

原子が数千度に相当する温度まで加熱されると、電子は原子核からますます自由になります。これにより、イオンと呼​​ばれる自由な原子核と、それらの元となった電子からなるプラズマと呼ばれる気体状の物質状態が生じます。プラズマは自由に動き回る電荷から構成されているため、磁場や電場を用いて制御することができます。核融合装置はこの特性を利用して、燃料を数百万度の温度に保持します。

The fusor is part of a broader class of devices that attempts to give the fuel fusion-relevant energies by directly accelerating the ions toward each other. In the case of the fusor, this is accomplished with electrostatic forces. For every volt that an ion of ±1 charge is accelerated across it gains 1 electronvolt in energy. To reach the required ~10 keV, a voltage of 10 kV is required, applied to both particles. For comparison, the electron gun in a typical television cathode-ray tube is on the order of 3 to 6 kV, so the complexity of such a device is fairly limited. For a variety of reasons, energies on the order of 15 keV are used. This corresponds to the average kinetic energy at a temperature of approximately 174 million Kelvin, a typical magnetic confinement fusion plasma temperature.

The problem with this colliding beam fusion approach, in general, is that the ions will most likely never hit each other no matter how precisely aimed. Even the most minor misalignment will cause the particles to scatter and thus fail to fuse. It is simple to demonstrate that the scattering chance is many orders of magnitude higher than the fusion rate, meaning that the vast majority of the energy supplied to the ions will go to waste and those fusion reactions that do occur cannot make up for these losses. To be energy positive, a fusion device must recycle these ions back into the fuel mass so that they have thousands or millions of such chances to fuse, and their energy must be retained as much as possible during this period.

The fusor attempts to meet this requirement through the spherical arrangement of its accelerator grid system. Ions that fail to fuse pass through the center of the device and back into the accelerator on the far side, where they are accelerated back into the center again. There is no energy lost in this action, and in theory, assuming infinitely thin grid wires, the ions can circulate forever with no additional energy needed. Even those that scatter will simply take on a new trajectory, exit the grid at some new point, and accelerate back into the center again, providing the circulation that is required for a fusion event to eventually take place.^[20]

結果として生じる動作を理解するためには、フューザーの実際の起動シーケンスを考慮することが重要です。通常、システムは真空まで排気され、その後、少量のガスが真空チャンバー内に配置されます。このガスは広がり、容積を満たします。電極に電圧が印加されると、電極間の原子は電離を引き起こし、内側に向かって加速し始めます。原子は最初はランダムに分布しているため、原子が得るエネルギーの量は異なります。最初に陽極に近い原子は、印加電圧の大部分、たとえば 15  keV を得ます。最初に陰極に近い原子は、はるかに少ないエネルギーしか得ず、中央反応領域の反対側の対応する原子と融合するには低すぎる可能性があります。^{[ 20 ]}

起動期間中、内部領域内の燃料原子はイオン化されていません。加速されたイオンはこれらの原子と散乱し、エネルギーを失うと同時に、以前は冷えていた原子をイオン化します。このプロセスと他のイオンとの散乱により、イオンのエネルギーはランダムに分布し、燃料は急速に非熱分布になります。このため、起動中に一部が「失われる」ため、フューザーシステムに必要なエネルギーは、燃料を他の方法で加熱するシステムよりも高くなります。^{[ 20 ]}

実際の電極は無限に薄いわけではなく、ワイヤーからの散乱や電極内でのイオンの捕捉の可能性は、高い伝導損失を引き起こす重大な問題です。これらの損失は、フューザーがこれらの反応を最小限に抑えるスターモードであっても、核融合反応から放出されるエネルギーよりも少なくとも5桁高い可能性があります。^{[ 22 ]}

他にも多くの損失メカニズムがあります。これには、高エネルギーイオンと低エネルギー中性粒子間の電荷交換が含まれます。これにより、イオンが電子を捕獲し、電気的に中性になり、チャンバー内に加速されなくなるため、フューザーから出ていきます。これにより、より低いエネルギーの新たにイオン化された原子が残り、プラズマが冷却されます。散乱によってイオンのエネルギーが増加し、陽極を通過して脱出することもあります。この例では、15  keV を超えるものはすべて該当します。^{[ 20 ]}

さらに、イオンと特にチャンバー内に残った不純物の両方の散乱により、大きな制動放射が発生し、燃料からエネルギーを運び出すX線が生成されます。 ^{[ 20 ]}この効果は粒子エネルギーとともに増大するため、システムが核融合に関連する運転条件に近づくにつれて問題がより顕著になります。^{[ 23 ]}

これらの損失メカニズムの結果、どのフューザーも損益分岐点エネルギー出力に近づいたことはなく、今後もそうなることはないと思われる。^{[ 20 ] [ 23 ]}

高電圧の一般的な発生源としては、ZVSフライバック高電圧電源やネオンサイン用変圧器などが挙げられる。これは静電粒子加速器とも呼ばれる。

ファーンズワースが考案した初期のフューザー設計は、初期のマルチパクターと同様に、円筒形の電極配置に基づいていた。燃料はイオン化され、小型加速器から外側（物理的）電極の穴を通して噴射される。穴を通過すると、燃料は高速で内側の反応領域に向かって加速される。正に帯電した電極からの静電気圧によって燃料全体がチャンバーの壁から離れ、新たなイオンの衝突によって最も高温のプラズマが中心部に留まる。彼はこれを慣性静電閉じ込めと呼び、この用語は今日でも使われている。核融合を起こすには、電極間の電圧が少なくとも25kV必要である。

これらの研究はすべて、 1949年にITTコーポレーションが次のRCAになる計画の一環として買収したファーンズワース・テレビジョン研究所で行われ、ファーンズワースが主導していた。^{[ 24 ]}しかし、核融合研究プロジェクトはすぐに利益を生むとは考えられていなかった。1965年、取締役会は ハロルド・ジニーンにファーンズワース部門を売却するよう求め始めたが、彼は1966年の予算を承認され、1967年半ばまで資金が確保された。それ以上の資金提供は拒否され、ファーンズワースは病気になり、医学的理由で引退したため、ITTの核融合実験は終了した。^{[ 24 ]}

ロバート・ハーシュの登場と、改良型ハーシュ・ミークス融合器特許の導入により、状況は劇的に変化した。^{[ 25 ]}ハーシュの設計に基づく新しい融合器は、1964年から1967年の間に初めて製造された。^{[ 2 ]} ハーシュは1967年に論文で自身の設計を発表した。彼の設計には、真空チャンバーにイオンを照射するためのイオンビームが含まれていた。 ^{[ 2 ]}

チームはその後、当時核融合研究の資金提供を担当していた原子力委員会（AEC）に働きかけ、配膳カートに搭載された実証装置を提供した。この装置は、既存のどの「古典的な」装置よりも多くの核融合反応を生み出した。関係者は驚いたが、タイミングが悪かった。ヒルシュ自身が、ソ連がトカマクを用いて大きな進歩を遂げていることを明らかにしたばかりだったのだ。この驚くべき展開を受けて、AECは大規模なトカマク計画に資金を集中させ、代替的な概念への支援を削減することを決定した。

イリノイ大学のジョージ・H・マイリーはフューザーを再調査し、この分野に再び導入した。それ以来、フューザーへの関心は低いながらも着実に続いている。重要な進展は、フューザーベースの中性子発生器の商業的な導入に成功したことである。2006年から2007年に亡くなるまで、ロバート・W・バサードはフューザーと設計が似ている原子炉（現在はポリウェルと呼ばれている）について講演を行い、それが有用な発電が可能になると述べた。^{[ 26 ]}最近では、フューザーは比較的スペース、費用、電力の要件が少ないため、アマチュアの間で人気が高まっており、アマチュアはそれを自宅のプロジェクトとして選んでいる。オンラインの「フュージョニア」コミュニティであるオープンソース・フューザー研究コンソーシアム、またはFusor.netは、フューザーの世界の進展を報告し、他のアマチュアのプロジェクトを支援することに専念している。このサイトには、ファーンズワースのオリジナルの特許や、ヒルシュによるこの発明のバージョンの特許など、フューザーに関するフォーラム、記事、論文が含まれています。^{[ 27 ]}

核融合とは、軽い原子核が結合して重い原子核になる反応のことです。このプロセスでは質量がエネルギーに変換され、そのエネルギーを捕捉して核融合発電に利用できます。多くの種類の原子が融合可能です。最も融合しやすいのは重水素と三重水素です。核融合が起こるには、イオンの温度が少なくとも4  keV（キロ電子ボルト）、つまり約4500 万ケルビンである必要があります。2番目に簡単な反応は、重水素同士の融合です。このガスは安価なので、アマチュアが一般的に使用する燃料です。核融合反応の容易さは、その断面積によって測定されます。^{[ 28 ]}

このような条件下では、原子はイオン化されてプラズマを形成します。高温プラズマ雲内部で核融合によって生成されるエネルギーは、次の式で求めることができます。^{[ 29 ]}

${\displaystyle P_{\text{fusion}}=n_{A}n_{B}\langle \sigma v_{A,B}\rangle E_{\text{fusion}},}$

どこ

${\displaystyle P_{\text{fusion}}}$は核融合出力密度（単位時間あたりの体積あたりのエネルギー）であり、

nは種Aまたは種Bの数密度（体積あたりの粒子数）であり、

${\displaystyle \langle \sigma v_{A,B}\rangle }$は、衝突断面積σ (相対速度に依存する) と 2 種の相対速度vの積であり、システム内のすべての粒子速度について平均化されています。

${\displaystyle E_{\text{fusion}}}$これは、単一の核融合反応によって放出されるエネルギーです。

この方程式は、エネルギーが温度、密度、衝突速度、および使用される燃料によって変化することを示しています。正味の電力を得るには、核融合反応がエネルギー損失を補うのに十分な速さで起こる必要があります。核融合を使用する発電所は、この高温の雲を保持します。プラズマ雲は伝導と放射によってエネルギーを失います。^{[ 29 ]} 伝導とは、イオン、電子、または中性粒子が表面に触れて漏れ出すことです。粒子とともにエネルギーが失われます。放射とは、エネルギーが光として雲から放出されることです。放射は温度が上昇するにつれて増加します。核融合から正味の電力を得るには、これらの損失を克服する必要があります。これにより、出力の方程式が得られます。

${\displaystyle P_{\text{out}}=\eta _{\text{capture}}(P_{\text{fusion}}-P_{\text{conduction}}-P_{\text{radiation}}).}$

どこ：

ηは効率であり、

${\displaystyle P_{\text{conduction}}}$は、エネルギーを蓄えた質量が離れる際の伝導損失のパワーです。

$\displaystyle P_{\text{radiation}}}$エネルギーが光として放出されるときの放射損失のパワーです。

${\displaystyle P_{\text{out}}}$これは核融合による正味の電力です。

ジョン・ローソンはこの方程式を用いて、マクスウェル雲に基づいて正味電力のいくつかの条件を推定した^{[ 29 ]}。^{[ 29 ]} これがローソン基準となった。フューザーは通常、再循環プラズマの経路にワイヤーケージがあるため、伝導損失に悩まされる。

オリジナルのフューザー設計では、複数の小型粒子加速器（基本的には両端を取り除いたテレビ管）が、比較的低い電圧でイオンを真空チャンバーに注入します。ヒルシュ式フューザーでは、チャンバー内の希薄ガスをイオン化することでイオンが生成されます。どちらの方式でも、2つの同心球状電極があり、内側の電極は外側の電極に対して負に帯電しています（約80kV）。イオンが電極間の領域に入ると、中心に向かって加速されます。

フューザーでは、イオンは電極によって数keVまで加速されるため、加熱自体は不要です（イオンが何らかの過程でエネルギーを失う前に融合する限り）。45メガケルビンはあらゆる基準から見て非常に高い温度ですが、対応する電圧はわずか4kVで、ネオンサインやCRTテレビなどの機器で一般的に見られるレベルです。イオンが初期エネルギーのままである限り、エネルギーを調整することで、反応断面積のピークを利用したり、より高いエネルギーで発生する可能性のある不利な反応（例えば中性子生成反応）を回避したりすることができます。

重水素のイオン化率を高めるための様々な試みがなされてきた。例えば、「イオン銃」（旧式のテレビのブラウン管の基礎となっている「電子銃」に類似）内のヒーターや、高電圧電磁場を用いてイオン生成を促進するマグネトロン型装置（電子レンジの電源として用いられている）などが挙げられる。イオン密度（イオンの平均自由行程を維持する範囲内）またはイオンエネルギーを増加させるあらゆる方法は、核融合収率（通常は1秒あたりに生成される中性子の数で測定される）の向上につながると期待される。

イオンエネルギーを容易に増加させることができるという利点は、陽子-ホウ素核融合のような「高温」核融合反応を考える際に特に有用であるように思われる。陽子-ホウ素核融合は燃料が豊富で、放射性トリチウムを必要とせず、一次反応で中性子を生成しない。

フューザーには少なくとも 2 つの動作モード (おそらくそれ以上) があります。スター モードとハロー モードです。ハロー モードは、1 つまたは 2 つの電子ビームが構造から出る、幅広く対称的な光が特徴です。核融合はほとんど起こりません。^{[ 30 ]}ハロー モードは高圧タンクで発生し、真空度が向上すると、装置はスター モードに移行します。スター モードでは、装置の中心から明るい光のビ​​ームが放射されているように見えます。^{[ 30 ]}

ケージによって生成される電場は負であるため、正に帯電したイオンと負に帯電した電子を同時に捕捉することはできません。したがって、電荷が蓄積される領域が必ず存在し、その結果、達成可能な電荷密度に上限が生じます。これは、装置の電力密度にも上限を設ける可能性があり、発電には不十分なレベルにとどまる可能性があります。

イオンが最初にフューザーの中心に落下したとき、イオンはすべて同じエネルギーを持ちますが、速度分布は急速にマクスウェル・ボルツマン分布に近づきます。これは単純なクーロン衝突によって数ミリ秒で起こりますが、ビーム間の不安定性はさらに桁違いに速く発生します。これに対し、個々のイオンが核融合反応を起こすまでには数分かかるため、少なくとも発電に関しては、フューザーの単一エネルギー像は適切ではありません。熱化の結果、一部のイオンは核融合反応を起こさずに、エネルギーを伴ってポテンシャル井戸から脱出するのに十分なエネルギーを獲得します。

フューザー電源システムの電極には、未解決の課題が数多くあります。まず、電極は内部の電位に影響を与えることができないため、一見すると、核融合プラズマが内部電極とほぼ直接接触し、プラズマの汚染と電極の破壊につながるように思われます。しかし、核融合の大部分は、最小電位領域に形成されたマイクロチャネルで発生する傾向があり、^{[ 31 ]}コアを貫通する目に見える「光線」として観察されます。これらは、領域内の力がほぼ安定した「軌道」に対応するために形成されます。スターモードで動作する典型的なグリッド内の高エネルギーイオンの約40%がこれらのマイクロチャネル内にある可能性があります。^{[ 32 ]}それにもかかわらず、グリッド衝突はファーンズワース・ハーシュ型フューザーの主要なエネルギー損失メカニズムであり続けています。問題をさらに複雑にしているのは、中央電極の冷却の課題です。発電所を稼働させるのに十分な電力を生成するフューザーは、内部電極も破壊する運命にあるようです。根本的な制約の一つとして、作動流体を加熱するために捕捉される中性子束を生成するいかなる方法も、その中性子束を電極にも照射し、電極も加熱してしまうという点が挙げられる。

これらの問題を解決しようとする試みとしては、BussardのPolywellシステム、DC Barnesの改良型Penningトラップ方式、そしてグリッド構造は維持しつつイオンをマイクロチャネルにさらに集中させて損失を回避しようとするイリノイ大学のフューザーなどが挙げられる。これら3つはいずれも慣性静電閉じ込め（IEC）装置であるが、実際に「フューザー」と呼ばれるのは最後のものだけである。

荷電粒子は速度が変化すると光としてエネルギーを放射します。^{[ 33 ]}この損失率は、ラーモアの公式を使用して非相対論的粒子 について推定できます。フューザー内部にはイオンと電子の雲があります。これらの粒子は動き回ると加速または減速します。これらの速度の変化により、雲は光としてエネルギーを失います。フューザーからの放射は、使用するフューザーの種類に応じて、可視光、紫外線、およびX 線スペクトルに (少なくとも) 含まれます。これらの速度の変化は、粒子間の静電相互作用 (イオン間、イオンと電子間、電子間) による可能性があります。これは制動放射と呼ばれ、フューザーでは一般的です。速度の変化は、粒子と電場との相互作用による場合もあります。磁場がないため、フューザーは低速ではサイクロトロン放射を、高速ではシンクロトロン放射を放出しません。

トッド・ライダーは、「熱力学的平衡状態にないプラズマ核融合システムの根本的な限界」の中で、準中性等方性プラズマは、DT（あるいはDDやD-He3）以外の燃料では許容できない速度で制動放射によってエネルギーを失うと主張している。この論文は、準中性プラズマはIEC核融合の基本的な要素である電場によって閉じ込められないため、IEC核融合には適用できない。しかし、ライダーは以前の論文「慣性静電閉じ込め核融合システムの一般的な批判」の中で、フューザーを含む一般的なIEC装置を直接取り上げている。フューザーの場合、電子は一般的に電極付近に隔離された燃料の質量から分離されるため、損失率が制限される。しかし、ライダーは、実際のフューザーは、大きな電子混合と損失をもたらすか、あるいは逆に低い電力密度をもたらすかのいずれかのモードで動作することを示している。これは一種のジレンマであり、フューザーのようなシステムの出力を制限する要因となっているようだ。

核融合炉の建設と運用には、いくつかの重要な安全上の考慮事項があります。まず、高電圧が関係します。次に、発生する可能性のあるX線と中性子の放出があります。さらに、地方自治体や規制当局に対する広報活動や誤報への対応も考慮する必要があります。

フューザーは、実用的な中性子源として実証されています。一般的なフューザーは、原子炉や粒子加速器ほど高い中性子束には達しませんが、多くの用途には十分です。重要なことに、中性子発生器は簡単にベンチトップに設置でき、スイッチを軽く押すだけでオフにできます。商用フューザーは、1996年から2001年初頭にかけて、ダイムラークライスラー・エアロスペース・スペース・インフラストラクチャー（ブレーメン）の非中核事業として開発されました。 ^{[ 9 ]} プロジェクトが事実上終了した後、元プロジェクトマネージャーは、NSD-Fusion と呼ばれる会社を設立しました。^{[ 12 ]} 現在までに、フューザーのような装置で達成された最高の中性子束は、重水素-重水素核融合反応で毎秒3 × 10 ^{11個の中性子です。 [ 10 ]}

商業スタートアップ企業は、核融合炉によって生成される中性子束を利用して、医療に使用される同位体であるテクネチウム-99mの前駆体であるMo-99を生成している。 ^{[ 10 ] [ 11 ]}