高密度プラズマフォーカス

高密度プラズマフォーカス( DPF ) は、もともと 1960 年代初頭に核融合発電装置として開発されたプラズマ生成システムの一種です。このシステムは、商業用発電には役立たないことを示すスケーリング則を示し、1980 年代以降は主に核融合教育システム、および中性子とX 線の発生源として使用されてきました。

元の概念は、ソ連で初期のピンチマシンに取り組んでいたときにその効果に気づいたNVフィリッポフによって1954年に開発されました。^[1] DPFに関する主要な研究プログラムは1950年代後半を通じてソ連で実施され、今日まで続いています。同じ基本概念の異なるバージョンは、1960年代初頭に米国でJWマザーによって独立して発見されました。このバージョンは1970年代にいくらか開発され、バリエーションが開発され続けています。

基本設計はZ ピンチの概念から派生しています。DPF とピンチはどちらも、ガスに流れる大電流を使用してガスをイオン化してプラズマにし、次にピンチダウンしてプラズマの密度と温度を高めます。DPF は形状が大きく異なります。ほとんどのデバイスは 2 つの同心円筒を使用し、中央円筒の端にピンチを形成します。対照的に、Z ピンチ システムは通常、単一の円筒 (場合によってはトーラス) を使用して、プラズマを中央にピンチします。

プラズマフォーカスは、プラズマを挟むことなくプラズモイドの形で噴出する高強度プラズマ銃装置（HIPGD）（または単にプラズマ銃）に似ています。高密度プラズマフォーカスとその多様な用途に関する包括的なレビューは、2012年にクリシュナンによって行われました。^[2]

ピンチベースの装置は、核融合研究のために本格的に開発された最も初期のシステムであり、1948年にロンドンで作られた非常に小さな装置から始まりました。これらは通常、2つの形式のいずれかを取りました。リニアピンチマシンは、両端に電極がありプラズマに電流を流す直線チューブです。一方、トロイダルピンチマシンは、磁気誘導によって電流を供給する大きな磁石が巻かれたドーナツ型のマシンです。

どちらのタイプの装置でも、チューブ内の希薄ガスに大電流が流されます。この電流は、まずガスをイオン化してプラズマにします。イオン化は数マイクロ秒で完了し、プラズマは電流を流し始めます。ローレンツ力により、この電流は磁場を生成し、プラズマを稲妻のようにフィラメント状に「締め付け」ます。このプロセスによりプラズマの密度が急速に増加し、温度が上昇します。

初期の装置では、このプロセスの安定性に問題があることがすぐに明らかになりました。プラズマに電流が流れ始めると、「ソーセージ」や​​「キンク」と呼ばれる磁気効果が現れ、プラズマが不安定になり、最終的には容器の側面に衝突します。これが発生すると、高温のプラズマによって金属やガラスの原子が剥がれて燃料に入り、プラズマが急速に冷却されます。プラズマを安定させない限り、この損失プロセスによって核融合は不可能になります。

1950 年代半ばに、2 つの解決策が考えられました。高速ピンチのコンセプトでは、線形デバイスが急速にピンチを受けるため、プラズマ全体が動かず、代わりに最外層のみがピンチし始め、衝撃波が発生し、電流が除去された後もプロセスが継続します。安定化ピンチでは、新しい磁場が追加され、電流の磁場と混ざり合ってより安定した構成が作成されます。テストでは、これらのシステムのどちらも機能せず、ピンチによる核融合への道は 1960 年代初頭までにほぼ放棄されました。^{[引用が必要]}

フィリッポフは、リニアピンチマシンでの実験中に、電極とチューブの特定の配置によってプラズマが新しい形状に形成されることに気付きました。これが DPF のコンセプトにつながりました。

一般的な DPF マシンには、2 つの円筒形の電極があります。内側の電極は、多くの場合固体で、デバイスの一方の端にある絶縁ディスクによって外側の電極から物理的に分離されています。もう一方の端は開いたままです。その結果、マグカップの中央に半分に切ったホットドッグが逆さまに立っているコーヒー マグカップのような状態になります。

電流が流されると、抵抗が最も少ない経路、つまり絶縁体ディスクに近い端でアーク放電が始まります。これにより、その領域のガスが急速にイオン化し、電流が外部電極に流れ始めます。電流によって磁場が生成され、プラズマがチューブの下の開いた端に向かって押し出されます。プラズマは数マイクロ秒で端に到達します。

端に到達すると、プラズマシートはしばらく動き続けますが、電流シートの端点はシリンダーの端に付着したままになります。これにより、プラズマシートは傘やキノコの傘に似た形状に曲がります。

この時点でそれ以上の動きは止まり、代わりに継続する電流が中央電極付近の部分を挟み始めます。最終的に、これにより以前のリング状の領域が圧縮され、内側の電極の端から伸びる垂直の柱になります。この領域では密度が大幅に増加します。

プロセス全体は、周囲のガス内で音速の何倍もの速度で進行します。電流シースが軸方向に移動し続けると、陽極と接触している部分が軸対称に陽極の表面を横切ります。衝撃波の爆縮前面が軸上で合体すると、反射衝撃前面が軸から発散し、駆動電流シースにぶつかります。駆動電流シースは、ピンチされた、または集中した高温プラズマ柱の軸対称境界を形成します。

高密度プラズマ柱 ( Z ピンチに類似) は急速に狭まり、不安定化して崩壊します。高密度プラズマおよび崩壊段階では、多重放射と総称される強力な電磁放射および粒子バーストが発生します。これらの臨界段階は、通常、小型 (kJ、100 kA) フォーカス装置では数十ナノ秒、大型 (MJ、数 MA) フォーカス装置では 約1 マイクロ秒続きます。

軸方向および放射状の位相を含むこのプロセスは、Mather DPF マシンの場合、数マイクロ秒 (小さなフォーカスの場合)、またはより大きなフォーカス マシンの場合は 10 マイクロ秒続きます。Filippov フォーカス マシンは、Mather フォーカスと比較して、軸方向の位相が非常に短くなります。

重水素を使用して作動させると、X線と荷電粒子の強力なバーストが放出され、中性子を含む核融合副産物も放出されます。^[3]次世代マイクロエレクトロニクスリソグラフィー、表面マイクロマシニング、医療およびセキュリティ検査アプリケーションや材料改質用のパルスX線および中性子源、 ^[5]などのソフトX線源^[4]としての潜在的な用途を実証する研究が進行中です。

核兵器への応用では、高密度プラズマフォーカス装置は外部中性子源として使用することができます。^[6]その他の用途としては、核爆発のシミュレーション（電子機器のテスト用）や、核物質（ウラン、プルトニウム）の非接触検出や検査に役立つ短時間強力中性子源などがあります。

高密度プラズマフォーカスの重要な特徴は、これらのマシンが最適に動作するように調整されている場合、 ^[7]サブキロジュールマシンからメガジュールマシンまで、マシンの全範囲にわたって、集束プラズマのエネルギー密度が実質的に一定であることです。 ^[8]これは、小型の卓上サイズのプラズマフォーカスマシンが、最大のプラズマフォーカスと本質的に同じプラズマ特性（温度と密度）を生成することを意味します。 もちろん、マシンが大きいほど、集束プラズマの体積が大きく、それに応じて寿命が長くなり、放射収量も増加します。

最小のプラズマ フォーカスでも、本質的には大型のマシンと同じ動的特性を持ち、同じプラズマ特性と同じ放射線製品を生成します。これは、プラズマ現象のスケーラビリティによるものです。

高密度プラズマ焦点によって生成される可能性のある自己完結型の磁気プラズマ球 であるプラズモイドも参照してください。

プラズマ エネルギー密度が、大型から小型まで、プラズマ フォーカス装置の範囲全体にわたって一定であるという事実は、プラズマ フォーカスを効率的に動作させるには、特定の値に維持する必要がある設計パラメータの値に関係しています。

中性子発生装置の臨界「速度」設計パラメータは であり、 は電流、は陽極半径、 はガス密度または圧力である。^[7]${\displaystyle {\frac {I}{a{\sqrt {p}}}}}$${\displaystyle I}$${\displaystyle a}$${\displaystyle p}$

たとえば、重水素中の中性子最適化操作の場合、キロジュールから数百キロジュールのマシンの範囲で実験的に観測されたこの重要なパラメータの値は、9 kA/(mm·Torr ^0.5 )、または 780 kA/(m·Pa ^0.5 )であり、マシンのサイズがこれほど広範囲にわたる場合でも、偏差は 10% と非常に小さいです。

したがって、ピーク電流が 180 kA の場合、アノード半径は 10 mm、重水素充填圧力は 4 Torr (530 Pa) が必要です。アノードの長さは、電流シースの平均軸方向移動速度が 50 mm/μs をわずかに超えるように、コンデンサ電流の立ち上がり時間に合わせて調整する必要があります。したがって、コンデンサの立ち上がり時間が 3 μs の場合、それに合わせたアノードの長さは 160 mm である必要があります。

上記の例では、ピーク電流が 3 μs で 180 kA 上昇し、陽極半径と長さがそれぞれ 10 mm と 160 mm であり、これは UNU/ICTP PFF (国連大学/国際理論物理学センタープラズマ核融合施設) の設計パラメータに近いものです。^[9]この小型卓上装置は、開発途上国における実験的プラズマ研究を開始/強化するためのトレーニングと移転のための低コストの統合実験システムとして設計されました。^[10]

駆動パラメータの二乗は「プラズマエネルギー密度」の尺度であることに注意してください。

一方、もう 1 つ提案されている、いわゆる「エネルギー密度パラメータ」では、E はコンデンサ バンクに蓄積されるエネルギー、a はアノード半径であり、重水素での中性子最適化操作の場合、数十ジュールから数百キロジュールの範囲のマシンで実験的に観測されたこの重要なパラメータの値は、J/m ³のオーダーです。^[8]たとえば、3kJ のコンデンサ バンクの場合、アノード半径は 12mm のオーダーです。このパラメータは、Soto が調査したマシンでは 3.6x10^9 から 7.6x10^11 の範囲です。このパラメータの範囲が広いのは、これが「蓄積エネルギー密度」であるためです。これは、マシンによって大きく異なるパフォーマンスに応じて、異なる効率でプラズマ エネルギー密度に変換されます。したがって、必要なプラズマ エネルギー密度 (最適化された中性子生成ではほぼ一定であることが判明) を得るには、大きく異なる初期蓄積密度が必要です。 ${\displaystyle {28E \over a^{3}}}$${\displaystyle {5\cdot 10^{10}}}$

10 台の同一の DPF マシンのネットワークが、世界 8 か国で稼働しています。このネットワークは、マシンの最適化と診断 (軟 X 線、中性子、電子ビーム、イオンビーム)、アプリケーション (マイクロリソグラフィー、マイクロマシニング、材料の修正と製造、イメージングと医療、天体物理学のシミュレーション)、モデリングと計算などのトピックに関する研究論文を発表しています。このネットワークは、1986 年に Sing Lee によって組織され、アジア・アフリカプラズマトレーニング協会 (AAAPT) によって調整されています。シミュレーション パッケージの Lee モデル^[11]はこのネットワーク用に開発されましたが、すべてのプラズマ フォーカス デバイスに適用できます。このコードは通常、計算結果と測定結果の間で優れた一致を示し、^[12]ユニバーサル プラズマ フォーカス ラボラトリー ファシリティとしてダウンロードできます。プラズマ フォーカス研究所 IPFS ^[13] は、Lee モデル コードの正確で革新的な使用を促進し、プラズマ フォーカス数値実験の適用を奨励するために、2008 年 2 月 25 日に設立されました。 IPFSの研究では、数値的に導出された中性子スケーリング則をすでにマルチメガジュール実験に拡張している。^[14] これらは検証を待っている。このコードによる数値実験では、よく知られている中性子飽和効果がスケーリング劣化メカニズムとよりよく相関していることを示すグローバルスケーリング則もコンパイルされている。これは、コンデンサバンクのインピーダンスがバンクエネルギー（静電容量）の増加とともに減少するため、軸方向位相動的抵抗の優位性が増すためである。原理的には、抵抗飽和はパルス電力システムをより高い電圧で動作させることで克服できる可能性がある。

ポーランドのワルシャワにある国際高密度磁化プラズマセンター (ICDMP) は、国際的な研究およびトレーニング プログラムのために複数のプラズマ フォーカス マシンを運用しています。これらのマシンの中には、エネルギー容量が 1 MJ のマシンもあり、これは世界最大のプラズマ フォーカス デバイスの 1 つとなっています。

アルゼンチンでは、1996 年以来、ブエノスアイレスのタンディルにある国立高密度磁化プラズマ研究所 (www.pladema.net) が調整役を務めるプラズマ フォーカス研究の機関間プログラムが実施されています。このプログラムは、チリ原子力委員会とも協力しており、アルゼンチン国家エネルギー委員会、ブエノスアイレス科学評議会、センター大学、マル デル プラタ大学、ロサリオ大学、ブエノスアイレス大学プラズマ物理研究所とネットワークを形成しています。このプログラムでは 6 つのプラズマ フォーカス デバイスを運用し、特に超短トモグラフィーや中性子パルス調査による物質検出などのアプリケーションを開発しています。PLADEMA は、過去 10 年間にプラズマ フォーカスの数学的モデルもいくつか提供してきました。熱力学モデルによって、幾何学的パラメータと動作パラメータを組み合わせた設計マップを初めて作成することができ、中性子放出を最大化する最適な銃の長さと充填圧力が常に存在することがわかりました。現在、多数の実験で検証された完全な有限要素コードがあり、プラズマフォーカスの設計ツールとして自信を持って使用できます。

チリでは、チリ原子力委員会でプラズマフォーカス実験がサブキロジュールの装置にまで拡張され、スケールルールは1ジュール未満の領域まで拡張されました。^{[15] [16] [17] [18]}彼らの研究は、イオン密度、磁場、プラズマシース速度、アルヴェン速度、粒子あたりのエネルギー量を同じ値に保ちながら、プラズマフォーカスを幅広いエネルギーとサイズにスケーリングできることを知ることに貢献しました。したがって、核融合反応は、大型装置（1MJの発電機で駆動）と同様に、超小​​型装置（たとえば0.1Jの発電機で駆動）でも得ることができます。ただし、プラズマピンチの安定性は、装置のサイズとエネルギーに大きく依存します。^[8]チリ原子力委員会で開発された卓上プラズマフォーカス装置では、フィラメント構造、^[19]トロイダル特異点、^[20]プラズマバースト^[21] およびプラズマジェット生成など、豊富なプラズマ現象が観測されています。^[22]さらに、これらの種類の小型プラズマ装置を使用して、現場用途の非放射性中性子およびX線源としてのポータブルジェネレータの開発、^{[16] [17]}生物学的研究に適用されるパルス放射線、核融合-核分裂ハイブリッド炉の中性子源としてのプラズマフォーカス、^[23]強力な核融合関連パルス下の材料研究用のプラズマ加速器としてのプラズマフォーカス装置の使用など、可能なアプリケーションが検討されています。^[24]さらに、チリ原子力委員会は現在、南半球最大のプラズマフォーカス施設である施設SPEED-2を運営しています。

2009 年の初め以来、マレーシアの INTI プラズマ フォーカス、シンガポールの NX3 (近年米国の大学で初めて稼働したプラズマ フォーカス)、2009 年の大晦日に最初の核融合中性子放出ピンチを記録したカンザス州立大学の KSU プラズマ フォーカス、イランの IR-MPF-100 プラズマ フォーカス (115kJ) など、多数の新しいプラズマ フォーカス装置が稼働しています。

いくつかのグループは、DPF に基づく核融合発電は、p-B11 のような低中性子燃料サイクルでも経済的に実行可能である可能性があると提案しました。DPF で p-B11 から正味電力を得るには、非常に強い磁場を「プラズマに凍結」させることで生じる量子力学的効果によって制動放射線の損失を減らす必要があります。また、高磁場はサイクロトロン放射の放出率も高めますが、想定される密度ではプラズマ周波数​​がサイクロトロン周波数よりも高いため、この電力のほとんどはプラズマから失われる前に再吸収されます。主張されているもう 1 つの利点は、核融合生成物のエネルギーを電気に直接変換^{[ broken anchor ]}できることで、その効率は潜在的に 70% を超えます。

DPFの核融合発電能力を調査するための実験とコンピュータシミュレーションが、ローレンスビルプラズマ物理学研究所（LPP）で、エリック・ラーナーの指導の下で進行中である。ラーナーは2007年のGoogle Tech Talkで「フォーカス核融合」アプローチについて説明した。^[25] 2008年11月14日、ラーナーはフォーカス核融合の科学的実現可能性をテストするための継続的な研究のための資金を受け取った。^[26]

2009年10月15日、DPF装置「フォーカスフュージョン-1」が最初のピンチを達成した。 [ ^27] 2011年1月28日、LPPは、過去のDPFの傾向よりもかなり高い核融合収率を示す実験ショットを含む初期結果を発表した。^[28] 2012年3月、同社は18億度の温度を達成し、1978年以来維持されていた11億度という古い記録を破ったと発表した。 ^{[29] [30]} 2016年、同社は0.25ジュールの核融合収率を達成したと発表した。^[31] 2017年、同社は質量あたりの不純物を3分の1、イオン数を10分の1に削減した。核融合収率は50％増加した。さらに、平均イオンエネルギーは、閉じ込められた核融合プラズマとしては過去最高の240±20keVにまで増加しました。重水素窒素の混合とコロナ放電による事前イオン化により、核融合収量の標準偏差は4分の1の約15%に減少しました。^[32]

2019年に研究チームはタングステン電極をベリリウム電極に置き換える一連の実験を行った（フォーカス融合2Bと呼ばれる）。44回のショット後、電極はタングステン電極よりもはるかに薄い10nmの酸化物層を形成し、それに応じて不純物が少なくなり、電極の侵食も少なくなった。融合収率は0.1ジュールに達した。ショット数が増えるにつれて、収率は一般的に増加し、不純物は減少した。^[33]

• 1958: Петров Д.П.、Филиппов Н.В.、Филиппова Т.И.、Храбров В.А. 「Мощный импульсный газовый разряд в камерах с проводящими стенками」。 В сб。 Физика плазмы и проблемы управляемых термоядерных реакций。 Изд。 АН СССР、1958、т。 4、。 170–181.
• 1958年：ハンネス・アルヴェーン：原子力の平和利用に関する第二回国際会議議事録（国連）、31、3
• 1960: H Alfven、L Lindberg、P Mitlid、「プラズマ リングの実験」(1961) Journal of Nuclear Energy。パート C、プラズマ物理学、加速器、熱核研究、第 1 巻、第 3 号、pp. 116–120
• 1960: Lindberg, L.、E. Witalis、CT Jacobsen、「プラズマリングの実験」(1960) Nature 185:452。
• 1961年: ハンネス・アルヴェーン: プラズマリング実験、「宇宙磁場の起源について」(1961年)アストロフィジカルジャーナル、第133巻、1049ページ
• 1961: リンドバーグ、L. & ヤコブセン、C.、「プラズマ中のポロイダル磁束の増幅について」(1961)天体物理学ジャーナル、第 133 巻、p. 1043
• 1962: Filippov. NV 他、「非円筒形 2 ピンチ圧縮における高密度高温プラズマ」(1962)『核融合補足』第 2 部、577
• 1969年：バックウォルド、ロバート・アレン、「ディスク対称性による高密度プラズマフォーカスの形成」（1969年）論文、オハイオ州立大学。

• プラズマフォーカス研究所 (IPFS)。
• 2011年にIPFSスタッフによって発表された研究論文。[2]
• プラズマフォーカス-未来への動向([3])
• プラズマフォーカスの大きさと寿命（[4]）
• シンガポール国立教育研究所のプラズマ放射線源研究室
• プラズマフォーカス研究所、国際高密度磁化プラズマセンター、ワルシャワ、ポーランド
• チリ・ポンティフィシア・カトリカ大学光学およびプラズマ物理グループ
• レオポルド・ソト（チリ原子力委員会、熱核プラズマ部門）による論文：プラズマフォーカス研究の新たな動向と将来の展望
• フォーカスフュージョンソサエティ
• アブドゥス・サラムICTPプラズマフォーカス研究所。 [5]
• 数値シミュレーションパッケージ：INTI-UCのユニバーサルプラズマフォーカス実験施設。[6]
• アルゼンチンの高密度プラズマフォーカスネットワーク。
• 2011年にIPFSスタッフによって発表された研究論文。[7]
• リンク付きの核融合エネルギーサイト。Wayback Machineで 2021-05-18 にアーカイブされています。
• ローレンスビル プラズマ物理学会長兼フォーカス核融合協会事務局長のエリック J. ラーナー氏による Google トーク