核融合ロケット

核融合ロケットは、大量の燃料を運ぶ必要がなく、宇宙で効率的かつ持続的な加速を提供できる核融合推進で駆動するロケットの理論的な設計です。この設計には、現在の能力を超える核融合発電技術と、はるかに大型で複雑なロケットが必要です。

核融合核パルス推進は、核融合エネルギーを利用して推進力を得るための 1 つの方法です。

核融合の主な利点は、比推力が非常に高いことですが、主な欠点は、原子炉の（おそらく）大きな質量です。核融合ロケットは、核分裂ロケットよりも放射線の発生が少ないため、必要な遮蔽質量が少なくて済みます。核融合ロケットを建造する最も簡単な方法は、オリオン計画で提案されているように水素爆弾を使用することですが、そのような宇宙船は巨大になり、部分的核実験禁止条約によりそのような爆弾の使用は禁止されています。そのため、爆弾ベースのロケットは、宇宙でのみ運用されるように制限される可能性があります。別のアプローチでは、直接の推力ではなく、核融合によって生成された電力による電気（イオンなど）推進を使用します。

発電と直接推進

イオンスラスタなどの宇宙船の推進方法は、動作に電力を必要とするが、非常に効率的である。場合によっては、その推力は生成できる電力の量によって制限される（例えば、マスドライバー）。核融合エネルギーで動作する発電機は、そのような船を動かすことができる。1つの欠点は、従来の電力生産では低温エネルギーシンクが必要であり、宇宙船では難しい（つまり重い）ことである。核融合生成物の運動エネルギーを電気に直接変換することで、この問題は緩和される。^[1]

魅力的な可能性の 1 つは、核融合排気ガスをロケットの後方に向けて、中間の電気生成なしで推力を供給することです。これは、他の閉じ込め方式 (例:トカマク)よりも、いくつかの閉じ込め方式 (例:磁気ミラー) の方が簡単です。また、これは「先進燃料」( 「非中性子核融合」を参照) にとっても魅力的です。ヘリウム 3推進は、ヘリウム 3原子の核融合を動力源として使用します。ヘリウム 3 は、陽子2 個と中性子1 個を持つヘリウムの同位体で、原子炉で重水素と核融合することができます。その結果生じるエネルギー放出により、推進剤を宇宙船の後方から排出することができます。ヘリウム 3 が宇宙船の動力源として提案されているのは、主に月面に豊富に存在するためです。科学者は、月には利用可能なヘリウム 3 が 100 万トン存在すると推定しています。^[2] DT 反応によって生成される電力の 20% のみがこの方法で使用できます。残りの80%は中性子として放出されますが、中性子は磁場や固体壁によって方向付けられないため、推力に向けるのが難しく、遮蔽が必要になる場合があります。ヘリウム3は、重水素、リチウム、またはホウ素から生成されるトリチウムのベータ崩壊によって生成されます。

たとえ自立的な核融合反応を生成できない場合でも、核融合を利用してVASIMRエンジンなどの別の推進システムの効率を高めることは可能かもしれない。^[要出典]

隔離の代替案

磁気

核融合反応を持続させるには、プラズマを閉じ込める必要があります。地上核融合で最も広く研究されている構成は、磁気閉じ込め核融合の一種であるトカマクです。現在、トカマクは非常に重いため、推力対重量比は受け入れられないと思われます。^[^疑わしい^–^議論する^]NASAのグレン研究センターは、2001年に「ディスカバリーII」概念車両設計のためにアスペクト比の小さい球形トーラス型原子炉を提案しました。「ディスカバリーII」は、861トンの水素推進剤と11トンのヘリウム3-重水素（D-He3）核融合燃料を使用して、172トンの有人ペイロードを118日間で木星（土星まで212日）に運ぶことができます。 ^[3]水素は核融合プラズマデブリによって加熱され推力を増加させるが、その代償として排気速度（348～463km/s）が低下し、推進剤の質量が増加する。

慣性

磁気閉じ込めに代わる主な方法は、ダイダロス計画で提案されているような慣性閉じ込め核融合(ICF) です。核融合燃料の小さなペレット (直径数ミリメートル) が、電子ビームまたはレーザーによって点火されます。直接的な推力を生成するために、磁場がプッシャープレートを形成します。原理的には、ヘリウム 3 重水素反応または非中性子核融合反応を使用して、荷電粒子のエネルギーを最大化し、放射線を最小限に抑えることができますが、これらの反応を使用することが技術的に実現可能かどうかは非常に疑問です。1970 年代の詳細設計研究であるオリオンドライブとダイダロス計画の両方で、慣性閉じ込めが使用されました。1980 年代には、ローレンスリバモア国立研究所と NASA が、ICF 駆動の「惑星間輸送アプリケーション用車両」(VISTA) を研究しました。円錐形のVISTA宇宙船は、100トンの積荷を火星軌道に運び、130日で地球に帰還するか、木星軌道に運び、403日で地球に帰還することができます。41トンの重水素/三重水素（DT）核融合燃料と4,124トンの水素推進剤が必要になります。^[4]排気速度は157km/sになります。

磁化されたターゲット

磁化ターゲット核融合(MTF) は、比較的新しいアプローチで、より広く研究されている磁気閉じ込め核融合 (つまり、優れたエネルギー閉じ込め) と慣性閉じ込め核融合 (つまり、効率的な圧縮加熱と、核融合プラズマの壁のない閉じ込め) のアプローチの最良の特徴を組み合わせたものです。磁気アプローチと同様に、核融合燃料は加熱されてプラズマになる間、磁場によって低密度に閉じ込められますが、慣性閉じ込めアプローチと同様に、ターゲットを急速に圧縮して燃料密度、ひいては温度を大幅に増加させることによって核融合が開始されます。MTF は強力なレーザーの代わりに「プラズマ銃」(つまり、電磁加速技術) を使用するため、低コストで軽量のコンパクトな原子炉が実現します。^[5] NASA/ MSFCの有人外惑星探査（HOPE）グループは、106～165トンの推進剤（水素とDTまたはD-He3核融合燃料）を使用して、249～330日で木星の衛星カリストに164トンのペイロードを運ぶことができる有人MTF推進宇宙船を調査しました。 ^[6]この設計は、前述の「ディスカバリーII」、「VISTA」コンセプトよりも排気速度（700 km/s）が高いため、かなり小型で燃料効率も高くなります。

慣性静電

核融合ロケットのもう一つの一般的な閉じ込めコンセプトは、慣性静電閉じ込め(IEC) で、ファーンズワース・ヒルシュフューザーや、エネルギー・マター・コンバージョン社 (EMC2) が開発中のポリウェルのバリエーションに見られるようなものです。イリノイ大学は、 210 日で木星の衛星エウロパに 100,000 kg の有人ペイロードを運ぶことができる 500 トンの「フュージョンシップ II」コンセプトを定義しました。フュージョンシップ II は、10基の D-He3 IEC 核融合炉で駆動するイオンロケットスラスタ (排気速度 343 km/s) を使用します。このコンセプトでは、木星系への 1 年間の往復飛行に300 トンのアルゴン推進剤が必要になります。 ^[7] ロバート・ブサードは、 1990 年代を通じて、宇宙飛行への応用について論じた一連の技術記事を発表しました。彼の研究は、アナログサイエンスフィクションアンドファクト誌の記事によって広く知られるようになり、その中でトム・ライゴンは、核融合炉がいかにして非常に効果的な核融合ロケットを生み出すかを説明した。^[8]

反物質

さらに推測的な概念は、反物質触媒核パルス推進であり、これは反物質を使用して核分裂と核融合反応を触媒し、はるかに小さな核融合爆発を起こすことを可能にする。1990年代に、ペンシルベニア州立大学でAIMStarという名前で失敗した設計作業が行われた。^[9]このプロジェクトには、現在生産できる量よりも多くの反物質が必要になる。さらに、実現可能になるまでにいくつかの技術的なハードルを乗り越える必要がある。^[10]

開発プロジェクト

ダイレクトフュージョンドライブ – 概念的なロケットエンジン
MSNW 磁気慣性核融合駆動ロケット

参照

ヘリウム3
原子力推進
ロケット推進技術（曖昧さ回避）

参考文献

^ Robitzski, Dan (2020年10月7日). 「この科学者は、電気を直接推力に変えるジェットエンジンを開発したと語る」Futurism。2023年8月31日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2023年8月19日閲覧。
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外部リンク

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