タンデムミラー実験

TMX および TMX-U

タンデムミラー実験
1979年のタンデムミラー実験（TMX）
デバイスタイプ	磁気ミラー
位置	米国カリフォルニア州リバモア​
所属	ローレンス・リバモア国立研究所
歴史
建設日	1977 – 1979
運営年数	1979–1987
先行	2XIIB  [ウィキデータ]
関連デバイス	ミラー核融合試験施設(MFTF)

タンデムミラー実験（TMXおよびTMX-U）は、1979年から1987年までローレンスリバモア国立研究所で運用されていた磁気ミラー装置である。^{[1]これは、2つのミラーの間に大量の}プラズマを閉じ込めて原子炉の効率を高めるという「タンデムミラー」のコンセプトをテストした最初の大型装置であった。

オリジナルの TMX は、1976 年 10 月にドイツで開催された主要な物理学会議で構想が生まれ、1977 年 1 月に設計され、1978 年 10 月に完成するという短期間で設計、構築されました。翌年、タンデム ミラー アプローチが検証されました。同じ原理に基づいて、ミラー融合試験施設(MFTF) というさらに大規模な機械を構築する計画が始まりました。MFTF は当初、TMX の拡大版に過ぎませんでしたが、設計を検討したところ、目的の性能に達しないことがわかりました。燃料の内部温度を上げる何らかのシステムが必要でした。

解決策として、「熱障壁」が見つかりました。これは高エネルギー電子を閉じ込め、漏れを増やすことなく燃料のエネルギーを増大させます。MFTF は障壁を追加するために改造され、MFTF-B になりました。MFTF-B の建設が始まると同時に、1982 年に TMX に熱障壁が追加され、TMX-U になりました。TMX-U は概念を全般的に検証しましたが、熱障壁は安定していませんでした。MFTF-B はこの時までにほぼ完成していましたが、完成の翌日に資金が打ち切られました。TMX-U は 1987 年 2 月まで運用を続けました。

磁気ミラー装置は、ステラレータやZ ピンチと並んで、核融合炉の最初の本格的な設計の 1 つでした。この装置は非常にシンプルで、主にソレノイドで構成されていましたが、ソレノイドのワイヤは均等に巻かれておらず、両端に巻線が多い部分がありました。巻線に電流が流れると、結果として生じる磁場が両端を圧迫し、電子とイオンが中心に向かって反射して閉じ込められます。ローレンス リバモア国立研究所(LLNL)のリチャード F. ポストがこの概念の主要な提唱者となり、リバモアはミラー研究の世界的中心地となりました。

1954年の有名な講演で、エドワード・テラーは、ミラーのような機械には、今日では交換不安定性として知られる固有の不安定性があり、必要な時間スケールに近い時間プラズマを閉じ込めることができないという信念を表明しました。 ^[2]当時、プログラムの初期段階では、既存の機械のどれも、これが真実であるかどうかを確認するのに十分な長さのプラズマを閉じ込めることができませんでした。1960年までに、リバモアは閉じ込め時間が長い、さらに大きなミラーマシンをいくつか構築しましたが、問題の兆候は見つかりませんでした。^[3]

この謎は、1961 年の国際会議で、レフ・アルツィモビッチがリバモアのチームが特定の測定機器の読み取りの遅れを考慮して調整したかどうかを尋ねた際に解けた。調整はされていなかった。測定された安定性は錯覚であり、見かけ上のミリ秒単位の安定性は実際には読み取りのミリ秒単位の遅れであり、プラズマは実際にはすぐに不安定になっていたことがすぐに判明した。アルツィモビッチは「現在、長く安定した閉じ込めを示す実験的事実は 1 つもない」と結論付けた。^[4]

リバモアのチームとは対照的に、ヨッフェ研究所のソ連のチームは、しばらく前から交換不安定性の兆候に気づいていた。この問題を回避する方法については既にかなりの研究が行われており、1961 年の同じ会議で、ミハイル・ヨッフェはそのような設計の 1 つである「最小 B」のデータを発表した。この設計は、この不安定性を抑制する明確な兆候を示した。この設計では、磁場を変化させてプラズマを単純な円筒形ではなく蝶ネクタイ形に曲げる追加の電流伝導ワイヤが追加されていた。6 本の導体は「ヨッフェ バー」と呼ばれていた。^[4]

同じ基本概念の新しいバージョンが英国から登場した。それは「テニス ボール」で、リバモアですぐに採用され、アメリカ風に「野球コイル」と名付けられ、ALICE、Baseball I、II として知られる一連のマシンに組み込まれた。これらのマシンは単一の磁石を使用していたため、組み立てがはるかに簡単で、内部容積が非常に大きいため診断装置を挿入しやすいという利点もあった。この設計の欠点は、磁石がプラズマの容積に比べて非常に大きいことだった。リバモアのケン ファウラーはこの基本設計を採用し、磁石がプラズマに非常に近い「陰陽」バリエーションを製作するように修正した。これは 2X シリーズのマシンに組み込まれた。^[5]

新しいベースボールマシンが大まかな安定性を示したため、この設計を使用して実用的な核融合炉を建設できると思われた。^[6]ベースボールと陰陽の2つの設計のうち、物理学者は一般的に前者を好んだ。これは、診断システムへのアクセスが容易であり、実際の原子炉でもメンテナンスが容易であるため有利であると考えられたためである。^[7]

これらの結果は 1970 年代初頭に現れ始めたが、それは1970 年代のエネルギー危機と、その結果として米国連邦政府が新しい形態のエネルギーに巨額の資本を投入した時期と一致していた。ロバートL. ハーシュの指揮下にあった核融合局は、研究所を純粋な研究から実用的な原子炉の設計に向けた取り組みへと方向転換し始めた。トカマクはその目的を達成するための明らかな道筋を示し、ハーシュは「トカマク スタンピード」として知られるようになるいくつかの大規模なトカマク開発プロジェクトに資金提供を開始した。彼はまた、トカマクが大型化したときに何かが起こった場合に備えて、少なくとも 1 つのバックアップ コンセプトを用意したいと考えていた。当時最も成功した 2 つの設計は、シータ ピンチとミラーであった。^[8]

ハーシュの助手スティーブン・O・ディーンがLLNLを訪れ、競争に残るためには短期的にトカマクと競争できる設計を作らなければならないと告げた。彼は、この点ではベースボールの方が設計としては優れているかもしれないが、短期的には2Xの方が性能が高く、トカマクに追いつく可能性が高いと指摘した。LLNLのスタッフはワシントンの官僚が仕事のやり方を指図しようとしていることに憤慨したが、ディーンはハーシュがすでにLLNLの他の2つのプログラム、アストンとレビトロンを閉鎖させていると指摘した。研究所が実質的に大幅な性能向上を実証できない場合、ミラープログラムも失う可能性がある。彼は研究所長ジョン・フォスター・ジュニアに味方を見つけ、ディーンの政治情勢評価に概ね同意した。^[8]

これに応じて、ベースボールIIの取り組みは縮小され、元の2XIIの代​​わりに2XIIBと呼ばれるより大型の装置が設計された。主な変更点は、中性ビームインジェクターを2台から合計12台に増やしたことで、これによりプラズマの密度と温度が大幅に改善された。2XIIBは急速に建設され、1975年に稼働を開始し、自らが設定した温度と密度の性能目標をすぐに達成した。^[8]

2XIIBの成功により、ディーンは1976年4月に、実質的に2XIIBの拡大版であるMXの建設資金の調達許可を得ることができ、最初の運用開始日は1981年に設定された。^[9]

ディーン氏はまた、長期的には野球も陰陽もゲインやQの点で明らかな利点はないようだ、と指摘した。MX は新型トカマクのプラズマ性能に匹敵するかもしれないが、計算によれば、絶対的に最良の場合でもQ = 1.2 程度に制限され、商業的に有用なシステムには 10 以上の Q が必要になる可能性が高い。トカマクにはそのような制限はないようだ。次の一連の設計以降も妥当性を保つためには、LLNL はQ を大幅に改善する方法を考え出さなければならないだろう。これは「Q 向上」というテーマに関するかなりの議論を引き起こした。^[9]

最終的に、1976 年後半に LLNL の T. Kenneth Fowler が解決策を提示しました。彼と David Baldwin は、現在「タンデム ミラー」として知られる概念を開発しました。これは、2XIIB のようなミラーを、大きなソレノイドの両端に配置するというものです。2 つのミラーは、それ自体では比較的低いQ 値を持ちますが、時間の経過とともに、自然に漏れる高温のプラズマがソレノイド内の燃料を加熱し、燃料も核融合を起こすようになります。この時点で、放出される電力量は、この中央タンクのサイズによってのみ制限され、両端の 2X ミラーよりもずっと少ないエネルギーで済みます。したがって、ほんの少しの追加電力で、はるかに大量の燃料が核融合を起こすことになります。^[10]

問題は、鏡が本来対称的であるという点です。燃料が片方の端からタンクに流れ出れば、もう一方の端からも同じように流れ出て完全に逃げてしまう可能性があります。この問題を解決するために、タンデムミラーは「両極性」プラズマを作成することを目指しました。理想的には、これにより電子とイオンを異なる方法で保持できます。イオンは電子よりもはるかに大きいため、異なる速度で同時に存在できますが、電子はほとんど常に高速です。鏡にイオンの塊を閉じ込めると、電子は反応炉の両側に引き寄せられ、負電荷の領域が形成されます。鏡の中心から逃げる高エネルギーのイオンは、これらの負の領域、つまり反応炉の中心に優先的に引き寄せられます。^[11]

この進歩により、ミラーが損益分岐点に達し、実用的な原子炉としても有望であることが示唆されたため、LLNLはMXよりも小型の装置を建造してレイアウトをテストすることを提案した。正式な提案は1977年1月12日に新設されたエネルギー省に提出され、 ^[12]その月に承認された。ベースボールIIは解体され、その代わりにTMXが建造され、1978年10月に運用が開始された。^[10]

この機械は、基本的なタンデムミラーのコンセプトが健全であることをすぐに実証しました。これに基づいて、LLNL は、はるかに大規模で現在 2 億ドルの MFTF の建設を開始する許可を得ました。MFTF は、 Q = 1 (「損益分岐点」とも呼ばれる) に到達し、電力を生成する設計への道筋を示すように設計されました。^[10]

電子はプラズマ内でより自由に動くため、燃料イオンよりも速くミラーマシンから漏れる傾向があります。時間が経つにつれて、ミラー内に残った燃料の質量はますますイオンで構成されます。これにより、正味の正電荷が生成され、燃料をミラーから押し出すのに役立つ追加の力が加わり、漏れの速度が増加します。この漏れがマシンのQ を制限していました。これを打ち消すには、大量の電力を必要とする非常に強力な磁石が必要であり、その結果、正味の出力が減少しました。^[10]

この問題に対処するため、小型粒子加速器を使用してミラーの端に新しい燃料を注入する試みが数多く行われてきた。1979年、ファウラー、デイビッド・ボールドウィン、グラント・ローガンは、これらの注入器の新しいレイアウトを提案した。このレイアウトは「熱障壁」を生成し、漏れを大幅に減らすことができると思われる。そのアイデアは、新しい燃料イオンをミラーセルの端に注入し、端の有効温度を中央よりも高くするというものである。これにより、中央タンクの燃料に対する運動障壁が生成され、漏れ率が大幅に低下し、Qがさらに向上する可能性がある。^[10]

進歩はあまりにも大きく、既存の MFTF コンセプト、つまり基本的には TMX のスケールアップ版は役に立たないように見えました。このコンセプトをテストするために、1979 年にファウラーは、現在の実験が 1981 年に終了したら TXM をオフラインにすることを提案しました。その後、エンド セルを新しい構成で TMX-U として再構築します。TMX-U は 1983 年まで利用できないと予想されていたため、同じアイデアをその設計にも使用すると、MFTF プロジェクトに長い遅延が発生します。1979 年後半、ファウラーは、TMX-U の結果に基づいて必要に応じてインジェクターを変更できるように、余裕を持って MTFT-B の建設を続けることを提案しました。新しい核融合研究ディレクターのエド キンターは計画を承認し、MFTF は「バリア」の略である MFTF-B になりました。^[10]

結局、この計画は賢明ではなかった。TMX-U が稼働を開始したとき、新しい入射器による改善は期待されていたほどではなかったことは明らかだった。これらの結果を MFTF-B の設計にスケールアップすると、損益分岐点に達することができないことが明らかになった。すでに順調に進んでいた MFTF-B の建設は続行されたが、プロジェクトは資金が打ち切られ、建設完了が宣言された翌日の 1986 年 2 月 22 日に終了した。TMX-U は同月最後の発射を行った。ディーンは後に、トカマクに追いつこうとする努力の中で、ミラー プログラムが過度に押し進められたとコメントしている。^[13]

1974年以来ミラープログラムに7億2000万ドルを受け取っていたLLNLは、ミラープログラムを閉鎖し、慣性閉じ込め核融合アプローチに目を向けました。MIT （タラ）とウィスコンシン大学（フェドラス）のミラープログラムは翌年資金が打ち切られました。^[13]

TMXは、1977年1月12日にフレッド・コーエンスゲンとリバモアチームによって米国エネルギー研究開発局に正式に提案されました。^[14] このプロジェクトの費用は1100万ドルと見積もられました。設計はプラズマの周囲に5つの電流リングで構成されていました。端には「野球ボール」型の磁石が使用され、プラズマの漏れを防いでいます。この設計により、ミラー領域の中心から離れてあらゆる方向に増加する磁力が生成されます。ねじれた蝶ネクタイのような形の核融合プラズマは、磁気ミラー内に閉じ込められます。^{[15]適切なプラグの設計は、すべての磁気ミラーマシンにとって課題でした。野球ボール型設計は、後に}MFTF の特殊な陰陽磁石に置き換えられました。^{[16]プラズマの漏れの問題により、研究者は}トカマク へと向かい、磁場をループさせることでプラグを排除しました。

TMXの最初の実験結果の概要は1981年2月に発表されました。 ^[17] このとき、施設は大規模なオーバーホールを受けました。プラズマをよりよく封じ込めるために熱バリアが追加され、リングの数は10以上に増加しました。 ^[18]真空および診断システムがオーバーホールされ、損失を補うために追加の磁石が追加されました。^[19] 新しいマシンは「TMX-U」と呼ばれ、 ^[20] 80年代後半まで稼働しました。

ローレンス・リドスキーは、磁気ミラーマシンについて「彼らは磁石を1年に1セットずつ追加し続け、ついには自重で崩壊した」と批判したことで有名である^[1] 。また、彼の論文「核融合の問題点」でも批判している。

• 「熱バリアを備えたタンデムミラー実験」GA Carlson、UCRL-52836、1979 年 9 月 19 日。
• 「ツインミラーシステムを備えた熱核閉じ込めシステム」GI Dimov著、ソビエトプラズマ物理学ジャーナル、第2巻第4号
• 「エンドストップミラートラップからのイオン損失」DP Chernin、MN Rosenbluth、高等研究所、核融合 1978
• 「改良型タンデムミラー核融合炉」DE Baldwin 著、Physical Review Letters、1979 年 10 月 29 日。

• Booth, William (1987年10 月 9 日)。「Fusion の 3 億 7,200 万ドルのモスボール」。Science 238 ( 4824): 152–155。Bibcode : 1987Sci ...238..152B。doi : 10.1126/science.238.4824.152。PMID 17800453  。
• ブロンバーグ、ジョアン・リサ（1982）。核融合：科学、政治、そして新しいエネルギー源の発明。MITプレス。ISBN 9780262021807。
• ディーン、スティーブン（2013）。究極のエネルギー源の探求。シュプリンガー。ISBN 9781461460374。
• ハーマン、ロビン（2006年）。核融合：無限のエネルギーの探求。ケンブリッジ大学出版局。ISBN 9780521024952。
• テラー、エドワード (1981)。核融合パート A: 磁気閉じ込め、パート 1。アカデミック プレス。ISBN 9780323147804。