浮上双極子実験

LDX 1000

浮上双極子実験
2010年1月25日のLDXチャンバーの写真
デバイスタイプ	浮上双極子
位置	ケンブリッジ、マサチューセッツ州、アメリカ合衆国
所属	MITプラズマ科学核融合センター、コロンビア大学
技術仕様
主半径	0.34 m (1 フィート 1 インチ)
歴史
運営年数	2004–2011
関連デバイス	無衝突テレラ実験 (CTX)
リンク
Webサイト	浮上双極子実験ウェブサイト

浮上双極子実験（LDX ）は、浮上双極子の概念を使用して核融合エネルギーの生成を調査する実験でした。この装置は、浮上双極子の概念をテストした最初のものであり、米国エネルギー省によって資金提供されました。^{[1]この装置は、} MITプラズマ科学および核融合センターとコロンビア大学 の共同研究の一部でもあり、コロンビア大学では別の（浮上しない）双極子実験である無衝突テレラ実験（CTX）が行われていました。^[2]

LDXは、資源がトカマク研究に転用されたためエネルギー省からの資金援助が終了したため、2011年11月に操業を停止した。 ^{[3] [4]}

核融合炉としての浮上双極子の概念は、 1987年に長谷川明によって初めて理論化されました。^{[5]この概念は、後に}MITのジェイ・ケスナーとコロンビア大学のマイケル・マウエルによって1997年に実験として提案されました。 ^[6] 2人はチームを編成し、機械を製作するための資金を調達しました。彼らは、2004年8月13日金曜日午後12時53分に最初のプラズマを達成しました。最初のプラズマは、(1) 双極子磁石を正常に浮上させ、(2)プラズマをRF加熱することによって実現しました。 ^[7] LDXチームはそれ以来、2007年2月9日の超伝導コイルの40分間の停止を含む、いくつかの浮上テストを成功裏に実施しました。 ^[8]その後まもなく、2007年2月の制御テストでコイルが損傷し、2007年5月に交換されました。^[9]交換されたコイルは劣悪な銅巻きの電磁石で、水冷式でした。内向きの乱流ピンチの観測を含む科学的成果は、Nature Physicsに報告されました。^[10]

この実験には、ユニークな「便器」磁場を作り出す特別な浮遊電磁石が必要でした。磁場はもともと 3 つのコイルで構成されていました。各コイルには、19 本のストランドのニオブ スズ ラザフォード ケーブル(低温超伝導磁石で一般的) が含まれていました。これらはインコネル構造内でループし、特大のドーナツのような磁石を形成しました。ドーナツは誘導を使用して充電されました。充電されると、約 8 時間磁場が生成されました。全体として、リングの重量は 560 kg で^[11]、超伝導リングの 1.6 メートル上空に浮かんでいました。^[12] リングは 5.7 T のピーク磁場を生成しました。^[13] この超伝導体は液体ヘリウム クライオスタット内に収められ、電磁石の温度を 10ケルビン以下に保っていました。^{[13]この設計は、}バークレー のD20双極子実験や東京大学のRT-1実験に似ています。^[14]

ダイポールは、直径約 5.2 メートル、高さ約 3 メートルの「押しつぶされたカボチャ」型の真空チャンバー内に吊り下げられていた。^[15]チャンバーの底部には充電コイルがあった。このコイルは、誘導を利用してダイポールを充電するために使用される。次に、ダイポール磁石の穴を通るランチャーのようなシステムを使用して、ダイポールをチャンバーの中央に持ち上げる。チャンバーの上部に固定された銅磁石が磁場を生成し、浮遊ダイポール磁石を引き寄せる。この外部磁場はダイポール磁場と相互作用し、ダイポールを吊り下げる。浮遊ダイポール磁石によって生成された磁場は、プラズマを閉じ込めるために使用される。プラズマは、ダイポールの周囲とチャンバー内に形成される。プラズマは、無線周波数を使用して低圧ガスを加熱することによって形成され、基本的にプラズマを約 15 キロワットの磁場でマイクロ波化する。^[16]

マシンは、核融合のすべてにほぼ標準的な診断を使用して監視されました。これには次のものが含まれます。

1. 磁束ループ。これはワイヤのループです。磁場はワイヤ ループを通過します。ループ内の磁場が変化すると、電流が発生します。これを測定し、信号から磁束を測定します。
2. X線検出器。^[17]この診断装置は、放出されたX線を測定しました。これにより、プラズマの温度がわかりました。機械の中には4つのX線検出器があり、それぞれが機械内のコード（またはラインアウト）に沿って測定していました。^[17]この検出器は、通常約100電子ボルトの電子を測定するのに適していました。すべてのプラズマは、光を放出することでエネルギーを失います。これは、可視光線、赤外線、紫外線、X線の全スペクトルをカバーします。これは、粒子が何らかの理由で速度を変えるたびに発生します。 ^[18]理由が磁場による偏向である場合、放射は低速ではサイクロトロン放射、高速ではシンクロトロン放射です。理由が別の粒子による偏向である場合、プラズマは制動放射線として知られるX線を放射します。
3. X線カメラ^[19]低エネルギーのX線を読み取ることができます。
4. 従来のビデオカメラ^[19]
5. 放射型ラングミュアプローブ。ラングミュアプローブはプラズマに差し込まれたワイヤで、周囲の荷電粒子を吸収します。このワイヤの電圧を変えることができます。電圧が変化すると、吸収される荷電粒子が変化し、IV曲線が作成されます。これを読み取り、近くのプラズマの密度と温度を測定するために使用できます。
6. トリプルラングミュアプローブ^[19]
7. 12個のラングミュアプローブがグループ化されている^[19]

プラズマは双極子磁場によって閉じ込められている。単一粒子はサイクロトロン共鳴周波数で双極子磁石の磁力線に沿って螺旋状に回転しながらポロイダル軌道を描いている。乱流ピンチ現象の結果として、電子集団はピーク圧力と密度プロファイルを持つことが示された。^[10]

観察された動作モードは2つあった: ^[21]

1. ホットエレクトロン交換: ダイポールが「サポート」モード (浮上していない) で動作しているときに発生する、密度が低く、主に電子プラズマです。
2. より従来的な磁気流体力学モード。

これらは1960年代にニコラス・クラールによって提案された。 ^[22]

重水素^{[ブロークン アンカー]}核融合 (最も安価で最も単純な核融合燃料)の場合、LDX の形状は他の概念に比べて独自の利点があります。重水素核融合では、ほぼ同等の確率で発生する 2 つの生成物が生成されます。

${\displaystyle {\ce {D + D -> T + ^1H}}}$

${\displaystyle {\ce {D + D -> ^3He + n}}}$

この装置では、二次トリチウムを部分的に除去することができ、これは双極子のユニークな特性である。^[23]もう一つの燃料の選択肢は、トリチウムと重水素である。この反応は、より低い熱と圧力で行うことができる。しかし、いくつかの欠点がある。第一に、トリチウムは重水素よりもはるかに高価である。これは、トリチウムが希少であるためである。半減期が短いため、生成と貯蔵が困難である。また、危険物と見なされているため、貯蔵と取り扱いが困難になる。最後に、トリチウムと重水素は高速中性子を生成するため、これを燃焼する原子炉では、その磁石に強力な放射線遮蔽が必要になる。浮遊双極子磁石は外部から接続されたサービス（冷却など）を持つことができないため、DT装置では浮遊磁石の熱管理がはるかに困難になる。

• MITのLDXウェブサイト
• Discovery Tech の LDX レポート (6/08)、「浮遊する金属ドーナツからの電力」