フォントネー・オー・ローズ・トカマク

フォントネー＝オー＝ローズ・トカマク（TFR）は、フランス初のトカマクであり、パリ南西部郊外のフォントネー＝オー＝ローズにあるフランス原子力委員会（CEA）の研究センターに建設された。このプロジェクトはポール＝アンリ・ルビュが先頭に立って進めたもので、冗談で「ルビュのトカマク」と呼ばれることもある。これは、ルビュという名前と「ゴミ」を意味するフランス語の「rebut」をかけた語呂合わせである。

TFR は、同時代のソ連の T-3 やアメリカの対称型トカマクとほぼ同じ大きさでしたが、内部のプラズマ容積が大きく、はるかに強力な電源を備え、プラズマ電流を最大 40 万 アンペア、最長 0.5 秒まで流すことができました。1973 年に完成し、1976 年にプリンストン大型トーラスに追い抜かれるまで、世界で最も強力なトカマクであり続けました。TFR は、その存続期間中に数回の大規模なアップグレードを受け、継続的に性能が向上しました。

TFR で行われた大きな発見の 1 つに、暴走電子の問題がありました。1973 年、運用開始からわずか数か月後に、このような事象により真空容器に穴が開き、大規模な修理が必要になりました。その後の調査で、以前は注目されていなかった新しいタイプのプラズマ不安定性が特定されました。これは現在では新古典輸送として知られています。このとき以来、同様の問題が数多く発見され、現在はすべて「混乱」として分類されています。

代わりの真空容器がすぐに供給され、装置はすぐに設計目標に到達しました。その後、より強力な電源と加熱システムを追加して、数回拡張されました。TFR は 1986 年に廃止されましたが、当時は稼働中の最古のトカマクでした。その後、フランスの主要な原子力研究センターであるカダラッシュのTore Supraに置き換えられました。

1965 年にソ連の研究者がトカマクのコンセプトを初めて発表したとき、その結果は非常に優れていたため、国際社会の観察者はそれを即座に却下しました。1968 年に行われたフォローアップでは、他の研究所で観測された最高の結果の 10 ～ 100 倍という、さらに優れた結果が示されました。^{[1] [2]}再び、他の研究所はソ連の結果を無視しました。しかし、このときは、レフ アルツィモビッチは準備ができていました。彼は、「カルハム ファイブ」というニックネームの英国の研究者チームを招き、彼らが新たに開発したレーザートムソン散乱診断装置を使用して T-3 装置の電子温度を測定し、測定している温度が正確かどうかを確認しました。^[3]セットアップと調整に数か月を費やした後、1969 年の夏までに、デレク ロビンソンの監督の下で行われた測定では、前年にソ連が報告したよりもさらに優れた結果が示されました。^{[4] [5]}

その結果が、今日「トカマクラッシュ」として知られているものである。これらの結果は、トカマクが、その日までの進歩の大きな障壁であったボーム拡散を明らかに打ち破った最初の大規模装置であることを示唆している。英国と米国のいくつかの実験もこの限界を打ち破る兆候を示したが、それらは核融合装置には役立たないより低い温度で行われた。トカマクのプラズマは、装置が可能な最高温度でも安定していた。他のほぼすべてのアプローチへの関心は薄れ、1970年までに世界中でソ連の結果を打ち破ろうとする数十の試みがあった。^[6]

1970年、フランスの核融合研究をフォントネー＝オー＝ローズに集中させる決定が下された。これは、1965年に英国が同様の決定を下し、UKAEAカルハムが設立されたことと重なる。TFRの計画はポール＝アンリ・レビュトの指揮の下、直ちに開始され、その設計は冗談めかして「トカマク・ファソン・レビュト」と呼ばれることもある。^[7] TFRは主にソ連のT-3設計に基づいており、寸法や構造は似ているが、はるかに大きな電源を備えていたため、より高いプラズマ密度を長時間生成することができ、^[8]内部のプラズマ容積は1立方メートルと大きかった。比較すると、現代のITERトカマクは840立方メートルである。^[7]

TFR は 1973 年 3 月 22 日に最初のプラズマを生成しました。システムは急速に出力を上げましたが、3 か月後に真空チャンバーの内壁に穴が開きました。この原因は、約 50 keV の高速電子ビームによるものであることがすぐに判明しました。このビームは、トーラス内に形成された磁気ミラーに電子を捕捉することによって形成され、臨界しきい値まで増加しました。^{[9]この時点で、電子と周囲のプラズマとの相互作用により、}雷の伝播のメカニズムとして最初に提案された効果が発生します。^[10]

このこれまで見られなかったミラー効果は、今日では新古典輸送として知られています。これは、磁場がトロ​​イドの内側半径の外側よりも強くなることで形成され、低エネルギー粒子が内側の端に近づく経路に沿って移動するときに反射されます。これらの粒子が、その湾曲した形状から「バナナ軌道」と呼ばれているこれらの「バナナ軌道」に蓄積するにつれて、周囲のプラズマ内で加速する電荷チャネルを作成するのに十分な密度を持つポイントに到達する可能性があり、その結果生じる電子バーストは暴走電子として知られています。^[9]今日、これらのイベントは、一般的に「混乱」と呼ばれる同様の問題のより大きなグループの一部です。^[11]

真空チャンバーが交換され、実験によって再び性能が向上し、1974年10月に当初の性能目標が達成されました。その時点でTFRは世界最強のトカマクであり、イオン温度は1keV、ローソン基準値は2.5×1012 ^/ cm³sに達していました。^[8]

より大きな電力供給装置を使用しても、システムはプラズマを核融合温度まで加熱することができませんでした。これは、プラズマを強力に加熱するZ ピンチなどの初期のシステムと比較して、基本的なトカマク設計の大きな問題の 1 つでした。この問題を解決するために、TFR はほぼ最初から^[12]中性ビーム入射(NBI)を組み込むことを計画していました。これは、小さな粒子加速器を使用して燃料の個々の原子を反応室に発射するものです。NBI は、新鮮な燃料とプラズマを加熱するエネルギーの両方を供給します。1975 年末までに、500 kW の入射器は動作温度を 2 keV まで引き上げましたが、電子密度は 4.4 ⨉ 10 ¹³ /cm³ と比較的低いものでした。^[8]

1977年、真空チャンバーはプラズマを安定させるために含まれていた銅製の内殻を取り除いた新しい設計に置き換えられた。ソ連の研究者は、追加の磁石とフィードバック制御を使用した新しいシステムを開発し、以前は殻が行っていたプラズマの垂直方向の動きを防いだ。 ^[13]新しいレイアウトにより、設計が簡素化されただけでなく、チャンバーのアクセスポイントが増えた。^[8]

リミッターはインコネル製のものに変更された。当初、このシステムではモリブデン製のリミッターが使用されていたが、これは融点が高いため、衝突したイオンの熱負荷をよりよく吸収することができた。また、この結果、モリブデンがプラズマ中に飛び散り、プラズマの平均原子質量、つまりZが3を超えることになった。安定したプラズマからのエネルギーの損失は、主に光生成（この文脈では放射と呼ばれる）によって行われ、これは温度と原子質量の積である。Z>3のため、電子密度は6 ⨉ 10 ^{13 /cm³を超えて増加することはできなかった。新しいライナーと新しい体系的な洗浄方法により、Zは1に近づき、密度は1.2 ⨉ 10 14} /cm³まで増加した。^[8]

1978 年以降、イオンサイクロトロン共鳴周波数加熱 (ICRF)の使用によるさらなる加熱に注目が集まりました。ICRFは、電子レンジが水を加熱するのと同様に、イオンのサイクロトロン周波数に調整された無線周波数エネルギーを使用してイオンにエネルギーを追加します。

1976年8月から1977年9月にかけてTFRは解体され、TFR-600と呼ばれる新しい設計に置き換えられました。^[14]以前のバージョンとの主な違いは、最大プラズマ半径が24センチメートル（9.4インチ）であり、600kAのプラズマ電流を生成できる改良された電源との組み合わせでした。^[13] 1981年8月までに、さらに5つのNBIラインが追加され、ICRF加熱電力が2.2MWに増加し、2 keVで2 ⨉ 10 ¹⁴ /cm³の高い中心電子密度のプラズマが生成されました。^[12]

インコネル製リミッターは平均Zを改善しましたが、プラズマ中にニッケルイオンが残りました。1982年に炭素製のものに交換され、原子質量が大幅に減少しました。この時点から、主な損失は放射線ではなく電子損失によるものになりました。1985年頃、ラインハウゼンプラズマ物理学研究所（FOM）と協力して、新しい加熱システムである電子サイクロトロン共鳴周波数が導入されました。これらの実験の終了に伴い、TRFは12年間の運転を経て閉鎖されました。当時、TRFは稼働中の最も古いトカマクでした。^[15]

TFRは初期のトカマク設計の典型であり、プラズマに円筒形の断面を使用していました。1973年4月から1976年8月まで使用された最初のバージョン（TFR 400）の真空チャンバーは、半径98センチメートル（39インチ）のリングに曲げられたチューブ内の半径20センチメートル（7.9インチ）以内にプラズマを閉じ込めるのに適したサイズでした。 ^[16] TFR 600はTFR 400に似ていますが、厚い銅のシェルが取り除かれ、プラズマの半径が24センチメートル（9.4インチ）になり、プラズマ電流が600kAになりました。^[14]

しかし、内部構造により、TFR-600はソ連のT-3のような他の初期のトカマクよりも1立方メートルの大きなプラズマ有効容積を持っていました。もう1つの大きな違いは、はるかに大きな電源で、最大400,000アンペアを最大4分の1秒間、またはより低いアンペアを最大0.5秒間供給することができました。^[7]

プラズマの主な支持部は、最大 6テスラのトロイダル磁場を発生できるトーラスの周りに均等に広がった 8 つの大型トロイダル磁石の列でした。^[16]これらの磁石の中には、プラズマ室の上下に 2 つの小型ポロイダル磁石がありました。電流は、2 つのトロイダル磁石の間に配置した変圧器コアを使用してプラズマに誘導されました。変圧器の位置は、アセンブリの上部にある大きな電源ケーブルで確認できます。^[7]トロイダル磁石の間には、プラズマ室にアクセスできる大きな空きスペースがあります。これらの部分には、燃料噴射、加熱システム、さまざまな診断システム用のポートが多数あります。^[7]

オリジナル版の費用は合計1500万フランで、そのほぼ半分はユーラトムの欧州原子力研究訓練プログラムによって賄われた。^{[7] [17] [18]}

• アルヌー、ロバート (2013 年 12 月)。「40 年前、世界チャンピオンのトカマクはフランスのものだった」。ITER Mag。
• Braams, CM; Stot, PE (2002-06-20)。核融合: 磁気閉じ込め核融合研究の半世紀。物理学研究所。ISBN 9781420033786。
• 「TFR、フォントネ・オ・ローズのトカマク」。核融合ジャーナル。25 (9): 1025–1032。 1985 年 9 月。土井:10.1088/0029-5515/25/9/005。ISSN  0029-5515。
• 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 978-0-262-02180-7。
• TFR トカマクの局所的谷間に閉じ込められた電子の暴走と異常散乱 (技術レポート)。Euratom-CEA。1975 年 12 月。
• 反論、PH (1973)。 「Le Tokomak TFR De Fontenay-Aux-Roses Et Les Étapes Vers Un Réacteur Thermonucleaire」(PDF)。Ｊ．Ｐｈｙｓ．コロク。34：C2-49～C2-58。土井：10.1051/jphyscol:1973211。

• CEA公式サイト（英語）
• 核融合研究の歴史に関する CEA のページ (フランス語)