磁気閉じ込め核融合

磁気閉じ込め核融合（MCF ）は、磁場を使用して核融合燃料をプラズマの形で閉じ込め、熱核 融合エネルギーを生成する方法です。磁気閉じ込めは、慣性閉じ込め核融合とともに、制御核融合研究の2つの主要分野の1つです。

原子炉の核融合反応では通常、重水素と三重水素の軽い原子核が結合してアルファ粒子（ヘリウム4の原子核）と中性子が形成され、エネルギーは反応生成物の運動エネルギーの形で放出されます。原子核間の静電反発力を克服するために、燃料は数億度の温度を持つ必要があり、その温度で燃料は完全にイオン化されてプラズマになります。さらに、プラズマは十分な密度でなければならず、エネルギーはローソンの条件（三重積）で指定されるように十分な時間反応領域に留まらなければなりません。核融合プラズマは高温であるため、直接閉じ込めるための物質容器を使用することはできません。磁気閉じ込め核融合は、強力な磁場を適用してプラズマ粒子を閉じ込めるために 荷電粒子の運動の物理学を利用しようとします。

トカマクとステラレータは、今日では2つの主要なMCF装置候補です。さまざまな磁気構成を使用して核融合プラズマを閉じ込める調査は、1950年代に始まりました。初期の単純なミラーとトロイダルマシンは、閉じ込めが低いという残念な結果を示しました。 1958年に米国、英国、ソ連による核融合研究の機密解除後、1968年にクルチャトフ研究所によってトロイダル装置に関するブレークスルーが報告され、そのトカマクは1キロ電子ボルト（約1160万ケルビン）の温度と数ミリ秒の閉じ込め時間を実証し、トムソン散乱技術を使用したカルハム研究所の訪問チームによって確認されました。^{[1] [2]}それ以来、トカマクは世界的に主要な研究分野となり、JET、TFTR、JT-60などの大型トカマクが建設され、運用されました。建設中のITERトカマク実験は、科学的損益分岐点の実証を目指しており、世界最大のMCF装置となる。1950年代の初期の低閉じ込めステラレータはトカマクの初期の成功によって影を潜めていたが、トカマクとは異なる定常かつ中断のない動作という固有の能力を持つステラレータへの関心が再燃した。世界最大のステラレータ実験であるヴェンデルシュタイン7-Xは、2015年に稼働を開始した。

MCF装置によって生成される核融合電力の現在の記録は、JETが保持しています。1997年、JETは利得係数Q = 0.62で16メガワットの過渡核融合電力の記録と、4秒間でQ = 0.18で4メガワットの定常核融合電力の記録を樹立しました。^[3] 2021年、JETはQ = 0.33を5秒間維持し、59メガジュールのエネルギーを生成し、1997年に約4秒間で発表された21.7メガジュールの記録を破りました。^[4]

MCF 研究の課題の 1 つは、良好な核融合性能とエネルギー閉じ込めを維持する必要がある発電所条件へのプラズマ シナリオの開発と外挿​​です。ダイバータ電力の排出、過渡現象の緩和 (破壊、暴走電子、エッジ局在モード)、中性子束の処理、トリチウム増殖、燃焼プラズマの物理など、その他の問題に対する潜在的な解決策が積極的に研究されています。プラズマ診断、リアルタイム制御、プラズマ対向材料、高出力マイクロ波源、真空工学、極低温工学、超伝導磁石における新技術の開発は、MCF 研究に不可欠です。

核融合エネルギー研究の初期における主要な研究分野は磁気ミラーでした。初期のミラー装置のほとんどは、ソレノイドで生成された非平面磁場の焦点の近くにプラズマを閉じ込め、その磁場の強度をチューブの両端で増加させようとしました。閉じ込め領域から脱出するために、原子核は各磁石の近くの小さな環状領域に入らなければなりませんでした。原子核がこの領域から脱出することはわかっていましたが、燃料を継続的に追加して加熱することでこれを克服できると考えられていました。

1954 年、エドワード テラーは講演で、プラズマが閉じ込め場を横切って急速に逃げ出すという理論的問題を概説しました。これは、ミラー領域の中心に凸状の磁場が存在するすべての装置で発生します。既存の装置には別の問題があり、これが発生しているかどうかは明らかではありませんでした。1961 年、ソビエト チームは、このフルート不安定性が実際に発生していることを決定的に実証しました。米国チームがこの問題は発生していないと述べたため、ソビエトは実験を検証し、これは単純な計器のエラーによるものであると指摘しました。

ソ連のチームはまた、「イオッフェ バー」という形で潜在的な解決策も導入しました。これはプラズマをあらゆる点で凹面の新しい形に曲げ、テラーが指摘した問題を回避しました。これは閉じ込めの明らかな改善を示しました。その後、英国のチームはこれらの磁石をより簡単に配置したものを導入し、「テニス ボール」と呼びました。これは米国で「ベースボール」として採用されました。いくつかのベースボール シリーズのマシンがテストされ、大幅に改善されたパフォーマンスを示しました。しかし、理論計算では、生成できる最大エネルギー量は磁石を作動させるために必要なエネルギーとほぼ同じであることが示されました。電力生成マシンとして、ミラーは行き止まりに見えました。

1970 年代に、解決策が開発されました。大型ソレノイドの両端に野球用コイルを配置することで、アセンブリ全体ではるかに大きな体積のプラズマを保持できるようになり、より多くのエネルギーを生成できるようになりました。この「タンデム ミラー」設計の大型装置を建設する計画が始まり、これがミラー融合テスト施設(MFTF) となりました。このレイアウトはこれまで試したことがなかったため、このレイアウトをテストするために、より小型の装置であるタンデム ミラー実験(TMX) が建設されました。TMX は、MFTF がパフォーマンス目標を達成できないことを示唆する一連の新しい問題を示し、建設中に MFTF は MFTF-B に変更されました。しかし、予算削減のため、MFTF の建設が完了した翌日に、この装置は廃止されました。それ以来、ミラーはほとんど開発されていません。

制御核融合炉を建設する最初の本格的な試みでは、トロイダル コンテナのピンチ効果を利用しました。コンテナを包む大型の変圧器を使用して、内部のプラズマに電流を誘導しました。この電流によって磁場が生成され、プラズマが薄いリングに押し込まれ、「ピンチ」されます。電流によるジュール熱と、ピンチによる断熱加熱の組み合わせにより、プラズマの温度が数千万ケルビンの必要な範囲まで上昇します。

1948年に英国で最初に建設され、その後英国と米国で大型で強力な一連の装置が続いたが、初期の装置はすべてプラズマの強力な不安定性に悩まされた。その中でも注目すべきはキンク不安定性で、挟まれたリングが必要な温度に達するずっと前に激しく揺れて容器の壁にぶつかる原因となった。しかし、概念は非常に単純だったため、これらの問題に対処するために途方もない努力が費やされた。

この結果、「安定化ピンチ」という概念が生まれ、外部磁石を追加して「プラズマにバックボーンを与える」ことで圧縮が実現しました。このような装置としては最大のものは、1957 年に完成した英国のZETA原子炉で、核融合に成功したようです。1958 年 1 月の発表からわずか数か月後、観測された中性子がプラズマ質量の新しい不安定性によって生成されたものであることが判明し、この主張は撤回されました。その後の研究で、このような設計はどれも同様の問題を抱えることが判明し、Z ピンチ アプローチを使用した研究はほぼ終了しました。

磁気閉じ込めシステムを構築する初期の試みは、 1951 年にライマン スピッツァーが導入したステラレータでした。基本的に、ステラレータは半分に切断されたトーラスで構成され、その後、直線の「クロスオーバー」セクションで再び接続されて 8 の字を形成します。これにより、原子核が装置の周りを周回するときに原子核が内側から外側に伝播し、少なくとも原子核が十分に速く周回する場合は、軸を横切るドリフトが打ち消されます。

初期の 8 の字型マシンが構築されて間もなく、両側に 2 組目の螺旋巻き磁石を追加することで、完全に円形の配置で同じ効果が得られることが分かりました。この配置では、プラズマの途中までしか伸びない磁場が生成され、プラズマの乱流を抑制する「せん断」を追加するという大きな利点があることが判明しました。しかし、このモデルに基づいて大型のデバイスが構築されると、プラズマが予想よりもはるかに速くシステムから逃げ、その速度は交換できる速度よりもはるかに速いことがわかりました。

1960 年代半ばまでに、ステラレータ方式は行き詰まりに陥ったように見えました。燃料損失の問題に加えて、このシステムに基づく発電装置は、長さが 1,000 フィート (300 メートル) を超える巨大なものになるとも予測されました。1968 年にトカマクが導入されると、ステラレータへの関心は消え、プリンストン大学の最新設計であるモデル C は、最終的に対称型トカマクに転換されました。

ステラレータは、トカマクで後に発見されたいくつかの問題を回避できるため、2000 年代に入ってから再び注目を集めています。新しいモデルも製造されていますが、最新のトカマク設計より 2 世代ほど遅れています。

1950 年代後半、ソ連の研究者たちは、軌道のねじれが十分に強く、粒子がチャンバーの全長よりもチャンバー内部の円周を速く移動すると、キンク不安定性が大幅に抑制されることに気付きました。そのためには、ピンチ電流を減らし、外部の安定化磁石を大幅に強化する必要があります。

1968 年にロシアのトロイダルトカマクに関する研究が初めて公開され、その成果は、磁気式、非磁気式を問わず、競合するあらゆる設計の既存の取り組みをはるかに上回るものでした。それ以来、磁気閉じ込めに関する取り組みの大部分は、トカマクの原理に基づいています。トカマクでは、電流がプラズマ自体を定期的に通ってトーラスの「周囲」に磁場を作り、それがトロイダル磁場と組み合わさって、現代のステラレータといくつかの点で類似した渦巻き磁場を生成します。少なくとも、原子核が装置の周囲を流れる際に装置の内側から外側に移動する点ではそうです。

1991年、英国カルハムに初の専用球状トカマクとしてSTARTが建設されました。これは本質的には、中央ロッドが挿入された球状トカマクでした。STARTは、当時の標準的なトカマクの3倍にあたる約40%のβ値という素晴らしい結果を生み出しました。このコンセプトは、より高いプラズマ電流とより大きなサイズへとスケールアップされ、現在NSTX（米国）、MAST（英国）、Globus-M（ロシア）の実験が進行中です。球状トカマクは従来のトカマクに比べて安定性が向上しているため、この分野は実験的に大きな注目を集めています。しかし、これまでの球状トカマクはトロイダル磁場が低く、核融合中性子装置には実用的ではありませんでした。

コンパクトなトロイド、例えばスフェロマックや反転磁場構成は、閉じた磁気面構成の優れた閉じ込めと、中心コアのない機械の単純さを組み合わせようとしています。1970年代のこのタイプの初期の実験^{[疑わしい–議論が必要]は}Trisopsでした。 (Trisops は 2 つのシータ ピンチ リングを互いに向かって発射しました。)

トロイダルマシンで生成されるさらに斬新な構成としては、逆転磁場ピンチと浮上双極子実験があります。

米海軍も、2018年の米国特許出願で、TWレベルの電力が可能な「プラズマ圧縮核融合装置」を主張している。

「本発明の特徴は、キロワットからメガワットの範囲の入力電力で、ギガワットからテラワットの範囲（およびそれ以上）の電力を生成できるプラズマ圧縮核融合装置を提供することである。」^[5]

しかし、その後、この特許は放棄されました。

これらの装置はすべて、スケールアップやローソン基準へのアプローチにおいて、かなりの問題に直面しています。ある研究者は、磁気閉じ込めの問題を、風船を絞ることに例えて簡単に説明しました。空気は常にどこか別の場所に「飛び出そう」とします。プラズマの乱流は大きな問題であることが判明しており、プラズマが閉じ込め領域から逃げ出し、容器の壁に触れる可能性があります。これが発生すると、「スパッタリング」と呼ばれるプロセスが発生し、容器からの高質量粒子（多くの場合、鋼鉄やその他の金属）が核融合燃料に混ざり、温度が低下します。

1997 年、英国のJoint European Torus (JET) 施設の科学者らは、16 メガワットの核融合発電を実現しました。科学者らは、長い間プラズマの不可避かつ手に負えない特性と考えられてきたプラズマ乱流とその結果生じるエネルギー漏洩を、ある程度制御できるようになりました。プラズマが分解するプラズマ圧力を、発電所にとって許容可能な核融合反応率を維持できるほど高くできるという楽観論が高まっています。^[6] 電磁波を注入して誘導することで、プラズマ粒子の進路を操作し、プラズマを閉じ込める磁場を生成するのに必要な大電流を生成することができます。^{[7]これらの制御機能やその他の制御機能は、プラズマ乱流、プラズマの巨視的安定性、プラズマ波の伝播などの分野におけるプラズマ科学の基礎的理解の進歩によって実現しました。この進歩の多くは、}トカマクに特に重点を置いて達成されました。

SPARCは重水素-三重水素（DT）燃料を使用するトカマクで、現在MITプラズマ科学核融合センターでコモンウェルス核融合システムズと共同で設計されており、近い将来に実用的な原子炉設計を実現することを目指しています。2020年後半には、シミュレーションを使用して原子炉の動作と容量の予測を検証することに焦点を当てた原子炉設計の有効性に対する高い信頼度を述べた7つの研究を含むプラズマ物理学ジャーナルの特別号が発行されました。^[8] 1つの研究は、原子炉内の磁気流体力学（MHD）条件のモデル化に焦点を当てていました。この条件の安定性は、変化する磁場圧力下で達成できるプラズマ圧力の限界を定義します。^[9]

SPARC の進歩は、前述のITERプロジェクトの研究を基にしており、より実用的な材料として高温超伝導体(HTS) の新技術を利用することを目指しています。HTS により、原子炉の磁石はより大きな磁場を生成し、エネルギーを生成するために必要な輸送プロセスを比例的に増加させることができます。材料に関する最大の考慮事項の 1 つは、発生する大量の熱 (プラズマからの熱流束は 1 平方メートルあたり 10 GW に近づくと予想されます) に内壁が耐えられるようにすることです。この材料は、耐久性が必要なだけでなく、コア プラズマを汚染しない程度に損傷に耐える必要があります。このような課題は、設計プロセスで使用されるモデルと予測計算で積極的に検討され、考慮されています。^[10]

DIII-D国立核融合施設では、将来の核融合炉のコアエッジ統合の課題に取り組むための進歩が遂げられている。核融合プラズマを燃焼させるには、炉壁に損傷を与えることなく、プラズマコアを太陽の表面よりも高温に保つことが重要である。プラズマ粒子よりも重い不純物をプラズマおよび電力排出領域（ダイバータ）に注入することは、核融合性能に影響を与えずにプラズマ境界を冷却するために重要である。従来の実験では気体不純物が使用されていたが、粉末状のホウ素、窒化ホウ素、リチウムの注入もテストされている。^{[11] [12]実験では、}高閉じ込めモードプラズマの性能への影響を最小限に抑えながら、プラズマ境界を効果的に冷却できることが示された。このアプローチは、 ITERのようなより大型の核融合装置に適用でき、将来の核融合発電所のコアエッジ統合に貢献できる可能性がある。^{[13] [14]最近の実験では、破壊予測、} ELM制御、物質移動についても進歩が遂げられている。このプログラムでは、トカマクの運転を最適化するための追加ツールを導入し、周辺プラズマと材料の相互作用を調査しています。将来の核融合炉の性能と柔軟性を高めるために、大規模なアップグレードが検討されています。^{[15] [16] [17]}

ドイツのマックスプランクプラズマ物理学研究所のヴェンデルシュタイン 7-X ステラレータは、最初のプラズマキャンペーンを終了し、8,000 枚を超えるグラファイト壁タイルと 10 個のダイバータモジュールの設置を含むアップグレードを実施しました。これにより、容器の壁を保護し、より長いプラズマ放電が可能になります。^{[18] [19] [20]}この実験では、発電所での使用を視野に入れたステラレータ核融合装置としてのヴェンデルシュタイン 7-X の最適化されたコンセプトをテストします。アイランドダイバータは、プラズマの純度と密度を調節する上で重要な役割を果たします。ヴェンデルシュタイン 7-X により、プラズマの乱流と磁気閉じ込めおよび断熱の有効性を調査できます。この装置のマイクロ波加熱システムも改良され、より高いエネルギースループットとプラズマ密度を実現しています。これらの進歩は、ステラレータが連続核融合発電に適していることを実証することを目指しています。^{[21] [22] [23] [24]}

TAEテクノロジーズは、磁気閉じ込め核融合プラズマで史上初の水素ホウ素核融合実験を実施し、2022年に重要な研究マイルストーンを達成しました。この実験は、プリンストンプラズマ物理研究所の科学者とエンジニアが開発したホウ素粉末注入システムを使用して、日本の核融合科​​学研究所と共同で実施されました。^{[25] [26]} TAEの水素ホウ素核融合の追求は、核融合発電のためのクリーンかつコスト競争力があり、持続可能な燃料サイクルの開発を目指しています。結果は、水素ホウ素燃料混合物が実用規模の核融合発電に使用できる可能性があることを示唆しています。TAEテクノロジーズは、2030年代半ばまでにクリーンな電力を生産する核融合発電所の開発に注力しています。^[27]

米国の民間核融合企業ヘリオン・エナジーは、マイクロソフトと約5年以内に電力を供給する契約を締結した。核融合発電に関する初の契約となる。ヘリオンの発電所は2028年までに稼働開始が予定されており、50メガワット以上の発電を目指している。同社は燃料源として希ガスのヘリウム3を使用する予定である。^[28]

クロノス・フュージョン・エナジーは、国防のためのクリーンかつ無限の電力を目的とした中性子核融合エネルギー発電機の開発を発表した。 ^[29]

2023年5月、米国エネルギー省（DOE）は、米国をクリーンな核融合エネルギーのリーダーとして確立することを目指して、核融合発電所の設計と研究を進めるために、7つの州の8つの企業に4,600万ドルの助成金を発表した。マイルストーンベースの核融合開発プログラムからの資金は、10年以内にパイロット規模の核融合を実証し、2050年までにネットゼロ経済を達成するという目標をサポートする。助成金受領者は、今後5〜10年で実行可能な核融合パイロットプラントの設計を作成するために科学的および技術的なハードルに取り組む。受賞者には、 Commonwealth Fusion Systems、Focused Energy Inc.、Princeton Stellarators Inc.、Realta Fusion Inc.、Tokamak Energy Inc.、Type One Energy Group、Xcimer Energy Inc.、Zap Energy Inc.が含まれる。 ^[30]

世界の主要な磁気閉じ込め核融合研究所は次のとおりです。

• ASIPP（中国）。その主要施設は、 2006年から稼働しているEASTトカマクです。これは超伝導トロイダル磁石とポロイダル磁石を採用した最初のトカマクであり、長パルス高パラメータトカマクプラズマ動作においていくつかの記録を樹立しました。
• CEA Cadarache （フランス）。WESTトカマクを運営しています。
• カルハム核融合エネルギーセンター（イギリス）。欧州共同トーラス（JET）とメガアンペア球状トカマクアップグレード（MAST-U）の本拠地です。
• EPFL スイスプラズマセンター(スイス)。プラズマ形成研究に特化したトカマク構成可変(TCV)を運営しています。
• ゼネラル・アトミックス社（米国）。現在はDIII-Dトカマクを運用中。
• マックスプランクプラズマ物理学研究所（ドイツ）。主な実験施設は、ASDEX アップグレードトカマクとWendelstein 7-Xステラレータです。
• MITプラズマ科学・核融合センター（米国）。1991年から2016年までAlcator C-Modトカマクを運用し、現在はCommonwealth Fusion Systemsと共同でSPARCトカマクを建設中。
• プリンストンプラズマ物理研究所（米国）。その主要な核融合実験は、国立球状トーラス実験アップグレード（NSTX-U）です。

• ガストーラス
• 磁化ライナー慣性核融合

• EFDA-JET ウェブサイト
  • JET 画像ギャラリー^{[永久リンク切れ‍ ]}
• カルハム核融合エネルギーセンター、CCFE 2020-10-28 にWayback Machineでアーカイブ
• IAEAのJETに関する情報
• 磁気閉じ込めプラズマの物理学
• ジェネラル・アトミックス 2009-10-04ウェイバックマシンにアーカイブ
• Fusion Wiki（専門情報）