核パルス推進

核パルス推進または外部パルスプラズマ推進は、推力を得るために核爆発を使用する宇宙船の仮想的な推進方法です。^[1]これは、1947年にスタニスワフ・ウラムの提案を受けて、DARPAの支援を受けたオリオン計画として^{始まりました。 [2]}慣性閉じ込め核融合を使用する新しい設計は、ダイダロス計画やロングショット計画を含む、その後のほとんどの設計のベースラインとなっています。

この技術の潜在的な用途に関する計算は、1940年代後半から1950年代半ばにかけて研究所で行われた。^[3]

オリオン計画は、核パルスロケットを設計する最初の本格的な試みであった。ゼネラル・アトミックス社では、1950年代後半から1960年代前半にかけて、テラー・ウラム二段爆弾設計の変種を用いた小型の指向性核爆薬を、宇宙船にショックアブソーバーで取り付けられた大型の鋼鉄製プッシャープレートに反応させるというアイデアで設計が練られた。効率的な指向性爆薬は運動量伝達を最大化し、6,000秒（59 km/s）の範囲の比推力、つまりスペースシャトルの主エンジンの約13倍を実現した。改良を加えれば、理論上の最大比推力は100,000秒（980 km/s）（1 MN·s/kg）になる可能性がある。推力は数百万トンで、8 × 10⁶トンの建物を1958年の資材で建造する。 ^[4]

基準設計は、潜水艦スタイルの構造を使用して鋼鉄で建造され、乗組員は 200 人以上、機体の離陸重量は数千トンでした。この単段式の基準設計は、火星に到達し、地球表面から 4 週間で帰還します (NASA の現在の化学動力による基準ミッションでは 12 か月かかります)。同じ宇宙船は、7 か月のミッションで土星の衛星を訪問できます (化学動力によるミッションでは約 9 年かかります)。発生した注目すべきエンジニアリング上の問題は、乗組員のシールドとプッシャー プレートの寿命に関連するものでした。

このシステムは実行可能に見えたが、主に部分的核実験禁止条約によって違法となったため、プロジェクトは1965年に中止された。実際、この条約以前に、米国とソ連はそれぞれ、熱核爆弾を含む少なくとも合計9個の核爆弾を宇宙空間、すなわち高度100km以上で爆発させていた（高高度核爆発を参照）。倫理的問題が、地球の磁気圏内でそのような乗り物の打ち上げを複雑にした。放射線被害の（議論のある）線形閾値なしモデルを使用した計算では、1回の打ち上げによる放射性降下物によって約1人から10人が死亡することが示された。 ^[5]閾値モデルでは、このように極端に低レベルの放射線が薄く分布しても悪影響はないが、ホルミシスモデルでは、このような微量の放射線は有益性が無視できるほどである。^{[6] [7]軌道に到達するために効率の低い}クリーンな核爆弾を使用し、その後の移動にはより効率的で高出力の汚染された核爆弾を使用すると、地球からの打ち上げによる放射性降下物の量は大幅に減少するでしょう。

1つの有用なミッションは、地球に衝突する軌道上の小惑星や彗星を逸らすことであり、これは1998年の映画「ディープ・インパクト」で劇的に描かれている。高性能であれば、遅れた打ち上げでも成功し、機体は単純な衝突で大量の運動エネルギーを効果的に小惑星に伝達することができる。^[8]差し迫った小惑星衝突の見通しにより、降下物による少数の死亡者予測に対する懸念は解消される。自動化されたミッションであれば、乗組員を保護するショックアブソーバーを設計するという課題がなくなる。

オリオンは、フリーマン・ダイソンの 1968 年の論文「恒星間輸送」で論じられているように、現在の技術で理論的に構築できる非常に数少ない恒星間宇宙推進装置の 1 つです。

ダイダロス計画は、英国惑星間協会(BIS)が 1973 年から 1978 年にかけて実施した、約 50 年以内に近くの恒星に到達できる無人恒星間宇宙船を設計する研究です。アラン ボンド率いる 12 名の科学者とエンジニアがこのプロジェクトに取り組みました。当時、核融合研究は大きな進歩を遂げているように見え、特に慣性閉じ込め核融合(ICF) はロケット エンジンとして適応可能であると思われていました。

ICF では、小さな核融合燃料ペレット (通常はリチウム重水素( ⁶ Li ² H) で、中央に小さな重水素/三重水素トリガーが付いています) を使用します。ペレットは反応室に投げ込まれ、そこでレーザーまたは他の形式のビームエネルギーがすべての方向から照射されます。ビームによって発生した熱によって、ペレットは核融合が起こる点まで爆発的に圧縮されます。その結果、高温のプラズマが生成され、必要な量の核分裂を生成するために必要な最小サイズの爆弾と比較すると、非常に小さな「爆発」になります。

ダイダロスの場合、このプロセスはロケットエンジンを形成する大きな電磁石内で実行されることになっていた。電子ビームによって点火された反応の後、磁石は推進力を得るために高温のガスを後方に送り込んだ。エネルギーの一部は船のシステムとエンジンを稼働させるために転用された。システムを安全かつエネルギー効率よくするため、ダイダロスは木星から採取したヘリウム3燃料で駆動されることになっていた。

メデューサの設計は、従来のロケットよりもソーラーセイルとの共通点が多い。これは1990年代にジョンデール・ソレム^{[9]によって構想され、}英国惑星間協会誌（JBIS）^{[10]に掲載された。}

メデューサ宇宙船は、独立したケーブルでつながれた大きな帆を前方に展開し、核爆弾を前方に発射して帆と帆の間で爆発させる。帆はプラズマと光子の衝撃によって加速され、魚が漁師から逃げるときのようにテザーが切れ、「リール」で電気を生成する。宇宙船は生成された電気の一部を使用して帆に向かって巻き上げ、進むにつれて常にスムーズに加速する。^[11]

元の設計では、複数のテザーが複数のモータージェネレーターに接続されていました。単一のテザーに比べて、爆発とテザーの間の距離が長くなり、テザーへのダメージが軽減されるという利点があります。

重いペイロードの場合、例えば、安定したラグランジュ点にあらかじめ保管しておいた月の岩石や水で爆薬を包むなど、月の材料を利用することで性能を向上させることができる。^[12]

メデューサは、帆が爆発の衝撃をより多く遮断し、ショックアブソーバーのストロークがはるかに長く、主要構造が張力状態にあるため非常に軽量であるため、従来のオリオン設計よりも優れた性能を発揮します。メデューサタイプの船は、50,000～100,000 s (490～980 km/s) (500～1000 kN·s/kg) の比推力を実現できます。

メデューサは、 BBCのドキュメンタリー映画『原爆で火星へ:オリオン計画秘話』で広く知られるようになった。^{[13]ある短編映画では、}メデューサ宇宙船が「前方の帆に爆弾を投げ込む」ことでどのように機能するかを描いた芸術家の構想が示されている。 ^[14]

ロングショット計画は、1980年代後半に米国海軍兵学校と共同で実施されたNASA後援の研究プロジェクトであった。 ^[15]ロングショットは、磁気ファンネル型ICFを使用した点で、ダイダロスの基本コンセプトを発展させたものである。主な違いは、反応がロケットと他のシステムの両方に電力を供給することはできないと感じられたため、代わりに宇宙船を動かすための300kWの従来型原子炉が組み込まれたことである。原子炉の重量増加により性能は多少低下したが、LiD燃料を使用しても、100年で近隣の恒星アルファケンタウリに到達できる（約13,411km/sの速度、距離4.5光年、光速の4.5%に相当）。

1990 年代半ば、ペンシルベニア州立大学の研究により、反物質を使って核反応を触媒するという概念が生まれました。反陽子はウランの核内で反応し、従来の核反応と同様に核を分裂させるエネルギーを放出します。このような反応が少数であっても連鎖反応を開始できますが、そうでなければそれを維持するにははるかに大量の燃料が必要になります。プルトニウムの「通常の」臨界質量は約 11.8 キログラム (標準密度の球体の場合) ですが、反物質触媒反応では、これが 1 グラムをはるかに下回る場合があります。

この反応を利用したロケットの設計がいくつか提案されており、その中には惑星間ミッションに全核分裂反応を使用するものや、星間ミッションに核分裂核融合（実質的にはオリオンの爆弾の非常に小型版）を使用するものなどがあった。

MSNW磁気慣性核融合推進ロケット

核融合ロケットで動く宇宙船が火星に到着するコンセプトグラフィック
デザイナー	MSNW LLC
応用	惑星間
状態	理論的
パフォーマンス
比推力	1,606秒～5,722秒（融合ゲインに応じて）
燃焼時間	1日から90日（40日の増加で最適なのは10日）
参考文献
参考文献	[16]
注記	燃料：重水素-三重水素極低温ペレット 推進剤：リチウムまたはアルミニウム 電力要件: 100kW～1,000kW

NASAは2011年にMSNW LLCとワシントン大学に資金を提供し、 NASA革新的先進概念NIACプログラムを通じて核融合ロケットの研究と開発を行った。^[17]

このロケットは磁気慣性核融合の一種を使用して直接推力核融合ロケットを製造している。磁場により、重水素-三重水素プラズマの周囲で大きな金属リングが崩壊し、核融合が誘発される。エネルギーにより、押しつぶされたリングによって形成された金属シェルが加熱されイオン化される。イオン化された高温の金属は、磁気ロケットノズルから高速（最大 30 km/s）で噴射される。このプロセスをほぼ毎分繰り返すと、宇宙船が加速または減速する。^[18]核融合反応は自立的ではなく、各パルスを爆発させるには電気エネルギーが必要である。電気要件は 100 kW から 1,000 kW（平均 300 kW）と推定されており、設計には必要なエネルギーを生成するために太陽電池パネルが組み込まれている。^[16]

フォイルライナー圧縮は適切なエネルギースケールで核融合を起こす。ワシントン州レドモンドでの概念実証実験では、圧縮にアルミニウムライナーを使用することになっていた。しかし、最終的な設計ではリチウムライナーを使用することになった。^{[19] [20]}

性能特性は、原子炉によって達成される核融合エネルギー利得係数に依存します。利得係数は 20 ～ 200 と予想され、平均は 40 と推定されます。利得係数が高いほど、排気速度が速くなり、比推力が高まり、電力要件が低くなります。以下の表は、利得係数が 20、40、200 の場合の理論的な 90 日間の火星移転のさまざまな性能特性をまとめたものです。

2013年4月までに、MSNWはシステムのサブコンポーネントである重水素 プラズマを核融合温度まで加熱し、核融合を起こすために必要な磁場を集中させることを実証した。彼らは2013年末までにこの2つの技術を組み合わせてテストを行う予定だった。^{[16] [21] [22]}

パルス核分裂核融合（PuFF）推進は、磁気慣性核融合に似た原理に依存しています。オリオンのようなモーターによって格納容器に誘発される極度のストレスの問題を解決することを目的としており、Zピンチによって開始される自己触媒核分裂および核融合反応を受ける小さな燃料ペレットから得られたプラズマを噴射します。これは、アラバマ大学ハンツビル校のNIACプログラムを通じて研究されている理論上の推進システムです。^[23]本質的には、Zピンチ構成を使用する核融合ロケットですが、核融合プロセスを促進するために核分裂反応と組み合わせられています。

直径約1cmのPuFF燃料ペレット^[24]は、 2つの要素で構成されています。1つはターゲットと呼ばれる重水素-トリチウム（DT）プラズマのシリンダーで、これが核融合を起こし、もう1つはリチウムライナーで包まれて核分裂を起こす周囲のU-235シースです。液体リチウムは減速材として機能し、DTシリンダーとウランシースの間の空間を満たしています。液体リチウムに電流を流すとローレンツ力が発生し、DTプラズマがZピンチと呼ばれる10倍に圧縮されます。圧縮されたプラズマは臨界に達し、核融合反応を起こします。しかし、これらの反応の核融合エネルギー利得（Q ）は損益分岐点（ Q < 1）をはるかに下回っており、これは反応が生成するエネルギーよりも多くのエネルギーを消費することを意味します。

PuFF 設計では、最初の核融合反応で放出された高速中性子が U-235 シース内で核分裂を誘発します。その結果生じる熱によってシースが膨張し、DT コアへの爆縮速度が上昇してさらに圧縮され、より多くの高速中性子が放出されます。これにより再びシース内の核分裂率が増幅され、プロセスが自己触媒的になります。これにより核分裂燃料と核融合燃料の両方が完全に燃焼し、PuFF が他の核パルス概念よりも効率的になることが期待されています。^{[25] [26]}磁気慣性核融合ロケットと同様に、エンジンの性能は DT ターゲットの核融合ゲインがどの程度増加するかに依存します。

1 つの「パルス」は、燃焼室への燃料ペレットの注入、一連の核分裂・核融合反応によるその消費、そして最後に磁気ノズルを通して放出されたプラズマの噴出によって推力が生成されることで構成されます。1 つのパルスが完了するのにかかる時間は、わずか 1 秒未満と予想されます。

ウィキメディア・コモンズには、核パルス推進に関連するメディアがあります。

• GR Schmidt、JA Bunornetti、PJ Morton、核パルス推進 – オリオンとその先、NASA 技術レポート AlAA 2000-3856、2000
• JC Nance、「核パルス推進」、IEEE Trans. on Nuclear Science 12、177 (1965) [Ann. NY Acad. Sci. 140、396 (1966) として再版]。
• 「核パルス宇宙船研究、第3巻」、NASA契約NAS 8-11053報告書、ゼネラル・アトミクス、GA-5009、1964年9月19日。
• F. ダイソン、「プロジェクトの終焉」、サイエンス 149、141 (1965)。
• WH Robbins および HB Finger、HB、「NERVA 核ロケットエンジン技術プログラムの歴史的観点」、NASA 請負業者レポート 187154、AIAA-91-3451、1991 年 7 月。