フォントネー・オー・ローズ・トカマク
TFR
フォントネー・オー・ローズ・トカマク
デバイスタイプトカマク
位置フォントネー オー ローズ、パリ、フランス
所属原子力委員会
技術仕様
主半径98 cm (39 インチ) (1 m と表記されることが多い)
マイナー半径20 cm (7.9 インチ) (後に 24 cm (9.4 インチ))
血漿量1 平方メートル
磁場6.0 T (60,000 G) (トロイダル)
火力2.2MW ​
放電期間0.25 秒
プラズマ電流400  kA（後に600）
プラズマ温度3  keV（電子）
歴史
建設日1970年から1973年
運営年数1973–1986
後継者トーレ・スープラ

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ました。このプロジェクトはポール＝アンリ・ルビュが指揮を執り、「ルビュのトカマク」と呼ばれることもあります。これは、ルビュという名称とフランス語で「ゴミ」を意味する「rebut」を掛け合わせた語呂合わせです。

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、最大40万 アンペア、最長0.5秒のプラズマ電流を駆動できるはるかに強力な電源を備えていました。1973年に完成し、1976年にプリンストン大型トーラスに抜かれるまで、世界最強のトカマクであり続けました。その後、運用中に数回の大規模なアップグレードが行われ、性能は継続的に向上しました。

TFRにおける主要な発見の一つに、暴走電子の問題がありました。1973年、運転開始からわずか数か月後、この現象により真空容器に穴が開き、大規模な修理が必要となりました。その後の調査で、これまで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、今日では新古典輸送として知られる現象が特定されました。その後、同様の問題が数多く発見され、現在ではいずれも「ディスラプション（混乱）」に分類されています。

代替の真空容器がすぐに供給され、装置はすぐに設計目標を達成しました。その後、より強力な電源と加熱システムを追加して、数回の拡張が行われました。TFRは1986年に廃止されましたが、当時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トーレ・スープラに置き換えられました。

歴史

トカマクラッシュ

1965年にソ連の研究者によってトカマクの概念が初めて発表された際、その結果はあまりにも優れていたため、国際的な観測者たちは即座にそれを退けました。1968年の追跡調査では、さらに優れた結果が示され、他の研究所で観測された最高の結果の10倍から100倍に達しました。[ 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、今回はレフ・アルツィモビッチは準備万端でした。彼は「カルハム・ファイブ」というニックネームで呼ばれる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用いてT-3装置の電子温度を測定しました。[ 3 ]数ヶ月にわたる設置と調整の後、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は、ソ連が前年に報告した結果をさらに上回る結果を示しました。[ 4 ] [ 5 ]

その結果が、今日「トカマクラッシュ」として知られる現象です。これらの結果は、トカマクが、それまでの進歩を阻んでいた大きな障壁である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ました。英国と米国でもいくつかの実験でこの限界を破る兆候が見られましたが、それらは核融合装置には適さない低温での実験でした。トカマクのプラズマは、装置が到達可能な最高温度でも安定していました。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成果を破ろうとする数十の試みが行われました。[ 6 ]

TFR

1970年、フランスの核融合研究をフォントネ＝オー＝ローズに集中させる決定が下されました。これは、1965年に英国が同様の決定を下し、UKAEAカルハムを設立したことを反映したものでした。TFRの計画はポール＝アンリ・ルビュの指揮の下、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・ルビュ」と呼ばれることもあります。[ 7 ] TFRは主にソ連のT-3設計に基づいており、寸法と構造は類似していましたが、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より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くなっていました。比較のために、現代のITERトカマクは840立方メートルです。[ 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昇させ、3ヶ月後、真空チャンバーの内壁に穴が開きました。この原因は、約50keV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で形成され、臨界閾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鏡面効果は、今日では新古典輸送として知られています。これは、トロイドの半径の内側の磁場が外側よりも強いことで形成され、低エネルギー粒子が内側の縁に近づく経路に沿って移動する際に反射されます。これらの粒子が、その湾曲した形状から「バナナ軌道」と呼ばれるこれらの「バナナ軌道」に蓄積されるにつれて、粒子は十分な密度に達し、周囲のプラズマ中で加速する電荷チャネルを形成することがあります。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、これらの事象は、一般的に「ディスラプション」として知られる、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、性能を再び向上させるための実験が開始され、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は世界で最も強力なトカマクであり、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用いても、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における大きな問題の一つでした。この問題を解決するため、TFRはほぼ当初から[ 12 ]中性粒子入射（NBI）の導入を計画していました。これは、小型粒子加速器を使用して燃料の個々の原子を反応室に打ち込むものです。NBIは新鮮な燃料を供給するだけでなく、プラズマを加熱するエネルギーも供給します。1975年末までに、500kWの入射器は動作温度を2keVまで上昇させましたが、電子密度は4.4 ⨉ 10 13 /cm³と比較的低いものでした。[ 8 ]

継続的な改善

1977年、真空チャンバーはプラズマを安定化させるために設置さ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ました。ソビエトの研究者たちは、追加の磁石とフィードバック制御を用いた新しいシステムを開発し、以前は内殻によって起こっていたプラズマの垂直方向の動きを防止しました。 [ 13 ]新しいレイアウトは設計を簡素化しただけでなく、チャンバーへのアクセスポイントを増やすこともできました。[ 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、その高融点により、衝突する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散し、プラズマの平均原子質量（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損失は主に光生成（この文脈では放射として知られる）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まで増加できた。[ 8 ]

1978年以降、イオンサイクロトロン共鳴周波数加熱（ICRF）を用いた加熱効果の向上に注目が集まりました。ICRFは、イオンのサイクロトロン周波数に同調した高周波エネルギーを用いてイオンにエネルギーを付加します。これは電子レンジが水を温める方法に似ています。

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、600 kA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本のNBIラインが追加され、ICRF加熱電力が2.2 MW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 ]

インコネル製のリミッターは平均Z値を改善しましたが、プラズマ中にニッケルイオンが依然として存在しました。1982年に炭素製のリミッターに交換され、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となりました。1985年頃、ラインハウゼン・プラズマ物理研究所（FOM）との協力により、電子サイクロトロン共鳴周波数（ECR）と呼ばれる新しい加熱システムが導入されました。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は稼働中の最古のトカマクでした。[ 15 ]

説明

TFRは初期のトカマク設計の典型であり、プラズマを円筒形の断面で閉じ込める構造を採用していました。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）のリング状に曲げられた管の中に、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中規模サイズでした。 [ 16 ] TFR 600はTFR 400と類似していましたが、厚い銅製のシェルが取り除かれ、プラズマ半径24センチメートル（9.4インチ）、プラズマ電流600 kAを実現しました。[ 14 ]

しかし、内部構造上、TFR-600はソ連のT-3のような初期のトカマクよりも1立方メートルという大きな有効プラズマ容積を有していました。もう一つの大きな違いは、はるかに大きな電源で、最大40万アンペアを最大0.25秒間、あるい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、トーラスの周囲に均等に配置された8つの大型トロイダル磁石であり、最大6テスラのトロイダル磁場を発生することができる。[ 16 ]これらの磁石の中には、プラズマ室の上下にそれぞれ2つの小型ポロイダル磁石が配置されている。電流は、2つのトロイダル磁石の間に配置された変圧器コアによってプラズマに誘導され、その位置はアセンブリ上部から変圧器コアまで伸びる大型電力ケーブルで確認できる。[ 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十分な空間がある。これらの部分には、燃料噴射、加熱システム、各種診断システム用のポートが多数設けられている。[ 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 ]

参考文献

引用

  1. ^ Arnoux, Robert (2008年8月4日). 「1968年8月：核融合革命」 . ITER . 2024年7月17日閲覧。
  2. ^カドムツェフ, ボリス・B. (1969年1月31日). 「プラズマ物理学と制御核融合研究に関する第三回国際会議（ノヴォシビルスク、1968年8月1日～7日）」(PDF) .ソビエト物理学誌 ウスペヒ. 12 (1): 133– 134. doi : 10.1070/pu1969v012n01abeh003921 . ISSN 0038-5670 . 
  3. ^ Smirnov, VP (2010). 「ソ連／ロシアにおけるトカマク基盤 1950–1990」 .核融合. 50 (1) 014003. Bibcode : 2010NucFu..50a4003S . doi : 10.1088/0029-5515/50/1/014003 . ISSN 0029-5515 . 
  4. ^アルヌー、ロバート（2009年10月9日）「温度計を持ってロシアへ」ITER。
  5. ^ Peacock, NJ; Robinson, DC; Forrest, MJ; Wilcock, PD; Sannikov, VV (1969年11月). 「トカマクT3におけるトムソン散乱による電子温度測定」 . Nature . 224 (5218): 488– 490. Bibcode : 1969Natur.224..488P . doi : 10.1038/224488a0 . ISSN 1476-4687 . 
  6. ^ブロムバーグ 1982、181-185ページ。
  7. ^ a b c d e fアルヌー 2013 .
  8. ^ a b c d e TFR 1985、p.1025。
  9. ^ a b電子 1975。
  10. ^ Gurevich, Alexander & Zybin, Kirill (2005年5月). 「暴走破壊と雷の謎」. Physics Today . 58 (5): 37– 43. Bibcode : 2005PhT....58e..37G . doi : 10.1063/1.1995746 .
  11. ^テネンバウム、ジョナサン（2023年5月11日）「中国のEASTのブレークスルーが核融合発電への道を短縮」アジア・タイムズ。
  12. ^ a b TFR 1985、p.1027。
  13. ^ a b Braams & Stot 2002、p. 153.
  14. ^ a b TFRグループ (1979年4月). 「TFRトカマクにおけるプラズマ閉じ込め」. Journal of Magnetism and Magnetic Materials . 11 ( 1–3 ): 332– 344. Bibcode : 1979JMMM...11..332T . doi : 10.1016/0304-8853(79)90285-3 .
  15. ^ TFR 1985、1031ページ。
  16. ^ a b TFRを装備する（1977年8月）。「フォンテネー・オー・ローズ（TFR）のトカマクによるプラズマの監禁と運転の実験結果」（PDF）。Le Journal de Physique Colloques (フランス語)。38 (C3): C3–9–C3-19。土井: 10.1051/jphyscol:1977302。ISSN 0449-1947。 
  17. ^ユーラトム/CEA. 「制御熱核融合」 . CORDIS | 欧州委員会. 2024年7月19日閲覧。
  18. ^ Palumbo, Donato (1987). 「EURATOM核融合計画の性質と展望」.ロンドン王立協会哲学論文集. シリーズA, 数学・物理科学. 322 (1563): 199– 211. Bibcode : 1987RSPTA.322..199P . doi : 10.1098/rsta.1987.0048 . ISSN 0080-4614 . JSTOR 37751 .  

参考文献

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