ミグマ

ミグマ（ミグマトロン、ミグマセルとも呼ばれる）は、 1969年にボグダン・マグリッチが設計した衝突ビーム核 融合炉の提案である。 ^[1]ミグマは、小さな粒子加速器からのイオンの自己交差ビームを使用してイオンを融合させる。微細な塵サイズまでのより大きな粒子の集合体を使用する同様のシステムは、「マクロン」と呼ばれた。ミグマは1970年代から1980年代初頭にかけて研究された分野であったが、資金不足によりそれ以上の開発は行われなかった。

核融合は、原子が接近し、核の強い力がそれらの原子核を引き寄せるときに起こります。このプロセスに対抗するのは、原子核がすべて正に帯電しているため、静電気力により互いに反発するという事実です。核融合が起こるためには、原子核がこのクーロン障壁を克服するのに十分なエネルギーを持っている必要があります。正の電荷が少ない原子、つまり陽子が最も少ない原子では障壁は低くなり、陽子と中性子の合計数である核子が増えると強い力が高まります。つまり、重水素と三重水素の組み合わせのクーロン障壁は約 100 keV で最も低くなります (核融合の要件を参照)。

燃料が高エネルギーに加熱されると、電子は原子核から分離し、イオンとしてガス状プラズマに残ります。ガス内の粒子は、マクスウェル・ボルツマン分布として知られるスペクトルの広いエネルギー範囲にわたって分布しています。どの温度でも、大多数の粒子はより低いエネルギーにあり、「長い尾」にははるかに高いエネルギーにある少数の粒子が含まれます。したがって、100 keV は 10 億度を超える温度を表しますが、核融合イベントを発生させるために、燃料全体をこの温度まで加熱する必要はありません。はるかに低い温度であっても、長い尾のメンバー間の核融合率は、それらが出会う機会があるように一定時間閉じ込められている限り、有用な出力を提供するのに十分なほど高い場合があります。密度の増加も率を高めます。これは、反応からのエネルギーが周囲の燃料を加熱し、同様に核融合を誘発する可能性があるためです。温度、密度、閉じ込め時間の組み合わせはローソン基準として知られています。

核融合エネルギー問題に取り組むために、2 つの主要なアプローチが開発されました。慣性閉じ込めアプローチでは、燃料は急速に非常に高い密度に圧縮され、その過程で内部温度が上昇します。これらの状態を一定期間維持する試みはなく、力が解放されるとすぐに燃料は外側に爆発します。閉じ込め時間はナノ秒のオーダーであるため、相当量の燃料が核融合を起こすには、温度と密度が非常に高くなければなりません。このアプローチは核融合反応を起こすことに成功していますが、これまでのところ、圧縮を行うことができる装置 (通常はレーザー)は、反応が生成するよりも多くのエネルギーを必要とします。

より広く研究されている磁気閉じ込めアプローチでは、電荷を帯びたプラズマが磁場で閉じ込められます。燃料はゆっくりと加熱され、温度分布の末端にある燃料の一部が融合し始めます。磁石を使用して実現可能な温度と密度では、融合プロセスはかなり遅いため、このアプローチでは数十秒、場合によっては数分単位の長い閉じ込め時間が必要です。このような時間スケールで数百万度のガスを閉じ込めることは困難であることが証明されていますが、最新の実験機械は正味の電力生産に必要な条件に近づいています。

衝突ビーム方式では、イオンを粒子加速器で直接加速することにより、燃料の塊をこれらの温度まで加熱するという問題を回避しました。

このようなシステムを作る簡単な方法は、2つの加速器を互いに向けることです。しかし、2つのイオンが衝突する可能性は極めて小さいです。ほとんどのイオンは互いのそばを通り過ぎてしまい、それらに投入されたエネルギーは失われます。エネルギーの観点からこのようなシステムを実用的にするには、粒子を再循環させて衝突の機会を多くする必要があります。これを行う1つの方法は貯蔵リングを使用することですが、反応に近づいたイオンは高角度で散乱し、リングから出てしまいます。簡単な数学から、このアプローチはうまくいかないことがわかりました。これらのニアミスによる損失率は、核融合反応から得られるエネルギーよりも常にはるかに高いからです。^[2]

マグリッヒのコンセプトは、彼が共同発明した「プレセトロン」として知られる新しい粒子貯蔵コンセプトに基づいて配置を変更した。典型的な貯蔵リングのコンセプトでは、粒子は特定のエネルギーでリングの「端から」発射され、リングの経路をたどる。対照的に、プレセトロンでは貯蔵領域は磁気ミラーである。ほとんどの磁気ミラー配置では、平均粒子エネルギーは比較的低く、イオンと電子は磁力線の周りを比較的小さな軌道で回り、半径はミラー全体の直径よりもはるかに小さい。プレセトロンでは、イオンのエネルギーははるかに高く、したがって軌道ははるかに大きく、ミラーの直径のかなりの部分、約1 ⁄ 3から1 ⁄ 2を占める。この配置では、イオンは古典的なミラー設定のように端の間で前後に反射するのではなく、ミラーボリュームの中心に向かって移動する傾向がある。^[3]

さらに、フィールドの配置により、フィールドはボリュームの外側で強くなるため、イオンの軌道は内側の領域の周りを歳差運動します。これにより、円形の軌道の回転中心が移動します。たとえば、粒子が最初にストレージ領域に発射され、ミラー領域の下半分を周回する場合、粒子はゆっくりと移動し、軌道は片側、次に上側、反対側、そして再び下側になります。単一のイオンの経路を時間の経過とともに追跡すると、スピログラフに似たパターンが形成され、ボリュームを埋め尽くす一連の円が作成されます。^[4]

ミグマ システムでこの概念を使用する鍵は、イオンを適切なエネルギーでチャンバーに発射し、その経路がミラーの幾何学的中心を通過するようにすることです。しばらくすると、この軌道は最初の入射点から歳差運動します。別のイオンが発射されると、元の軌道に戻ります。時間が経つにつれて、チャンバーは実質的に中心で交差する無限の数のストレージ リング内を周回するイオンで満たされます。そして、イオンは中心で出会うため、チャンバーの反対側のイオンは出会うときに反対方向に動いており、そのため、1 つの加速器が従来のレイアウトの 2 つの加速器と同様の効果を生み出しました。^[4]

この方法の大きな利点は、「逃した」反応におけるイオンの前方散乱は単にそれらを別の軌道に移動させるだけで、ミラーフィールド内の自然な動きはそれらを急速に中心に戻すことです。大きな軸外角度に散乱したイオンだけが逃げます。その結果、任意のイオンはシステムから散乱する前に反応領域を約 10 ^{8周回すると予想されました。 [5]}ギリシャ語で「混合物」を意味する「ミグマ」という用語は、この軌道を回るイオンの塊を従来の機械のプラズマと区別するために選ばれました。^[2]

4基のミグマ原子炉が建設された。最初のミグマ（遡及的にミグマI）は1973年、ミグマIIは1975年、ミグマIIIは1976年、そして最終的にはミグマIVが1982年に完成した。^[6]これらの装置は比較的小型で、加速器ビームラインに沿ってわずか数メートルの長さで、直径約2メートル（6フィート7インチ）、厚さ1メートル（3フィート3インチ）の円盤状のターゲットチャンバーを備えていた。ミグマのテストベッド装置では、約1MeV、^[7]から2MeVの加速器が使用された。^[2]

ミグマの設計は、中性子燃料、特にD-He3反応の使用を目的としており、これは典型的なDT反応よりもはるかに高い温度で点火する必要がある。ミグマIIは1975年に約150億度という必要な温度に到達することができた。^[6]ミグマIVは1982年に25秒の閉じ込め時間の記録を樹立し、^[6]また、核融合三重積（密度×エネルギー閉じ込め時間×平均エネルギー）の記録である4× ^1014keV  秒cm ⁻³も樹立した。この記録は、 1987年にJETが3× ^1014keV 秒cm ^−3を達成するまで、従来のトカマクでは達成されなかった。^[6]

ミグマを正味エネルギーを生産できるほど大きくするには、ミグマIVで達成される三重積を100倍から1000倍に増やす必要がある。^[6]マグリッヒはしばらくの間、後続の設計のための資金を確保しようとしたが、失敗した。The Scientistの記事によると、マグリッヒは1980年代からさまざまな資金提供機関と激しい論争を繰り広げていた。^[8]

ミグマの設計が最初に検討されたとき、それは粒子加速器技術を使用してモデル化されました。設計のベータ、つまり磁場とプラズマ圧力の比率については深く考慮されていませんでした。従来のミラーなどの従来の設計では、ベータは、原子炉内の任意の量の燃料に対して磁石がどれだけ強力である必要があるかを示す重要な性能数値です。磁石のコストは電力に比例するため、これは原子炉の経済性の大まかな見積もりになります。ミグマでは、従来の意味でのプラズマがないため、この考慮事項が適用されるかどうかは明らかではありませんでした。磁場をイオンのエネルギーに一致させてイオンを閉じ込めておく限り、技術的なニーズは満たされました。^[9]

しかし、イオンを継続的に供給すると、反応室が次第に正に帯電するという明らかな問題が生じます。これにより、理想気体の法則によって生じる従来のプラズマの圧力と同様の外向きの圧力が発生します。最終的には、粒子のエネルギーに関係なく、この圧力が磁場を圧倒します。この限界以下に抑えるには、粒子の密度を非常に低くする必要があり、一般的なミラー設計の約1 ⁄ 1000にする必要があります。^[10]

この効果を相殺するには、イオンだけでなく電子も注入してマクロ的な体積を中和します。しかし、これにより、反応炉からエネルギーが失われる2つの新しい効果が発生します。1つは、電子がイオンにランダムに衝突してイオンを中和することです。つまり、イオンは磁場の影響を受けなくなり、反応室から自由に出ることができます。このような中和が発生しなかった場合でも、電子とイオンの衝突により、電子は制動放射線とシンクロトロン放射の両方を通じてエネルギーを放出します。^[9]

ある臨界電子密度では、これらの損失は加速器によってシステムに供給されるエネルギー量よりも大きくなります。これに対処するため、設計では 100 個のイオンにつき 1 個の電子という非常に低い電子数で動作するように意図されています。^[9]これにより、設計の可能な動作パラメータに大きな制限が生じます。電子数が少ない場合、正電荷が磁石を圧倒するのを避けるために燃料の密度を低くする必要がありますが、燃料密度を高めるために電子密度を増やすと、電子効果によって損失が増加し始めます。^[9]

この数値を改善するために、2番目の加速器から電子をチャンバー内に発射することが提案されました。電子がイオンに遭遇すると中和され、磁場の影響を受けなくなり、チャンバーから出ていきます。これを機能させる鍵は、もはや役に立たなくなった低速イオンが集まっている中心部に電子を送り込むことです。^[10]自由電子も、反応炉チャンバー内の装置によって回収される予定でした。^[9]

1990 年代後半、これらの問題を一般化して考察した結果、ミグマだけがこの問題を抱えているわけではないことが示唆されました。非熱化燃料の制動放射線を考慮すると、非中性子燃料で稼働するシステムは点火に近づくことができず、非熱化燃料 (ミグマを含む) を使用するシステムは損失をカバーできるようです。理論的に機能する可能性がある唯一のアプローチは、熱化プラズマ質量における DT またはおそらく DD 反応です。^[11]

これに対する回答として、電子による空間電荷中和の問題は、 Maglich の主要研究である^[12]の論文「時間平均中和ミグマ: 衝突ビーム/プラズマハイブリッド物理状態による非中性子エネルギー源 - レビュー」で取り上げられました。この論文で Maglich は、横方向電子振動の発見とバイアスプレートによる制御について詳しく説明しています。これにより、達成した最高密度まで中和できましたが、密度は注入電流と捕捉効率によって制限され、どちらも低かったです。この技術は、上記の論文の「セクション 10. 空間電荷の限界を超えた方法」で説明されており、空間電荷中和の新しい方法の理論と実験をカバーしています。この分野における将来の進歩にどのような可能性があるのか​​、おそらく軽視すべきではありません。

• 特許 4788024: 空間電荷限界を超えて動作する荷電粒子の自己衝突ビームを得るための装置および方法