バンピー・トーラスは、磁気核融合エネルギー装置の一種で、一連の磁気ミラーを端から端まで接続して閉じたトーラスを形成する。これは、1960年代にオークリッジ国立研究所のレイ・ダンドル率いるチームによって発見されたものである。[1]
従来の磁気ミラー設計の主な欠点は、両端からの過剰なプラズマリークです。バンピー・トーラスは、複数のミラーを連結することでこの問題に対処し、一方のミラーから漏れた燃料がもう一方のミラーに流れ込むようにします。この構造が「バンピー」と呼ばれるのは、プラズマを構成する燃料イオンが、ミラーセル間のリーク電流よりも高い密度でミラー内部に集中する傾向があるためです。別の表現としては、磁場がミラー間の中央よりも狭くなることが挙げられます。[2]このような配置はそれ自体では安定せず、ほとんどのバンピー・トーラス設計では、二次磁場または相対論的電子を用いて反応炉内に安定した磁場を作り出します。
バンピー・トーラスの設計は1960年代に始まり、1986年にオークリッジ国立研究所のELMO（ELectro M agnetic O rbit）バンピー・トーラスまで研究が続けられた分野であった。[3] 特に、「一連の磁気ミラー装置を端から端まで並べてトーラス状にねじったものを想像してみてほしい。1つのミラー空洞から漏れ出したイオンまたは電子は、別のミラーセルに入る。これがバンピー・トーラスを構成する。」と説明されている。[4]これらの問題が明らかになり、この概念に関する研究のほとんどが終了している。
背景
シンプルな鏡
磁気ミラーは、物理的な複雑さの点で最も単純な磁気核融合エネルギー装置の一つです。大部分は両端に強力な磁石を備えた円筒で構成されていますが、実際には円筒部分（技術的にはソレノイド）には磁場をより適切に形成するために、より弱い磁石が並べられています。結果として生じる磁場は、おおよそ葉巻の外側のような形状で、円筒の中央が広く、両端に向かって狭くなっています。
プラズマは、荷電粒子、電子、そして核融合燃料の核（イオン）からなる気体で構成されています。磁場が存在すると、荷電粒子は磁力線に沿って軌道を描きます。また、荷電粒子は磁力線に沿って運動量を保持します。そのため、実際には、結果として生じる運動は磁力線を中心とした螺旋運動となります。
ミラーは、この動きが円筒の両端で「閉じ込められる」ことで機能します。イオンが両端に近づくと、他の磁力線が同じ場所に収束し、上昇する磁場が発生します。適切な条件が整えば、イオンは動きを反転させ、基本的に増加する磁場から跳ね返ります。これがミラーの名の由来です。マクロ的な時間軸では、個々のイオンは2つのミラーコイルの間を往復し、装置内に閉じ込められたままになります。
どのような磁場配置であっても、端に近づくにつれて曲がらない磁力線が常にいくつか存在します。特に顕著なのは、鏡の中心を通る磁力線です。これらの磁力線を周回するイオンは、そこから逃げ出す可能性があります。さらに、任意の磁力強度において、反射しないほどのエネルギーを持つ粒子が常に存在し、それらも逃げ出します。計算によると、この逃げ出し率は原子炉を長時間稼働させるのに十分なほど低いことが示唆されています。
最小B
制御核融合計画の初期段階から、このような装置では磁場配置に固有の不安定性が存在することが指摘されていました。磁場に凸状の部分がある領域では、イオンは衝突時に元の軌道から外側へ移動しようとする自然な傾向があります。この動きの結果、イオンは閉じ込め領域を外側へ移動します。特定の領域で十分な数のイオンがこの動きをすると、イオンの電荷が磁場を変化させ、曲率をさらに増大させます。その結果、暴走効果が発生し、プラズマが閉じ込め領域から溢れ出します。この問題は交換不安定性として知られるようになり、1950年代後半のすべてのミラーに特有の問題であることが判明しました。
交換不安定性は磁場の凸状領域によって引き起こされましたが、英国の研究者たちはすぐにその逆も成り立つことを示しました。つまり、凹状の磁場では、プラズマが凹部の「内側」にあるため、自然に安定するということです。これは「最小B構成」として知られるようになりました。他の理由による燃料漏れを起こさないようなこのような磁場配置を実際に実現するのは困難でしたが、1960年代半ばまでに、いくつかの有望な設計、特に「テニスボール」または「野球ボール」構成、そして後に陰陽コンセプトが登場しました。これらの設計はすべて、非常に複雑で、一定のプラズマ体積に対して大型であるという欠点があり、設計の価格性能比に悪影響を及ぼしました。
凹凸のあるトーラス
凹凸のあるトーラスは、ミラーの交換不安定性と端からの自然な漏れの両方の問題を修正する試みです。
漏れを制御するために、複数のミラーを端から端まで接続しました。これだけでは漏れは減少せず、むしろ粒子が別のミラーに漏れ出てしまうという問題がありました。一見すると明らかなように思えるかもしれませんが、このアプローチの問題点は、結果として生じる磁場が軸に沿って直線的ではなく、曲線的になることです。これにより、交換不安定性の発生率が高まります。しかし、単一のミラーセルではなく、装置全体を考慮すると、全体的な磁場は正味最小B構成として配置することができます。[5]
凹凸のあるトーラスによって生じる磁場は、抵抗性バルーニングモードという別の問題を引き起こす。オークリッジ国立研究所のELMOチームは、高エネルギー（「ホット」）電子をミラー閉じ込め磁場の外側と原子炉本体の外側との間の空間に注入することで、この問題を制御することを提案した。これらの電子は、ミラーの自然磁場を原子炉壁から遠ざける第2の磁場を発生させ、磁場全体を変化させることでバルーニングモードを低減する。[5]
エルモ
凹凸トーラス設計の最初の例は、 1972年にオークリッジ国立研究所のELMOとして建設されました。[6]当初、この設計は有望な結果を示しましたが、新しい診断システムが追加されるにつれて、システムが設計通りに機能していないことが明らかになりました。特に、電子殻コンセプトは予測されたほど強力ではなく、さらに問題をさらに悪化させたのは、マイクロ波加熱システムの効率が予想よりもはるかに低いことでした。[5]
同様のシステムが名古屋に建設され、磁場の直接測定により、電子によって生成された磁場のわずか数パーセントしか閉じ込め領域内に到達せず、不安定性を相殺するには到底不十分であることが実証されました。1988年に行われた磁場全体の再調査では、電子の閉じ込めだけでは必要な条件が整わないことが示唆され、この概念への関心は終焉を迎えました。[5]
参考文献
引用
- ^ 「ELMO Bumpy Torus：核融合のダークホース」（PDF） . Nature . 285 (5759): 3. 1980年5月1日. Bibcode :1980Natur.285....3.. doi :10.1038/285003a0. S2CID 52874747. 2021年7月31日閲覧。
- ^ 「ELMO Bumpy Torus：核融合のダークホース」（PDF） . Nature . 285 (5759): 3. 1980年5月1日. Bibcode :1980Natur.285....3.. doi :10.1038/285003a0. S2CID 52874747. 2021年7月31日閲覧。
- ^ ウッカン、ダンドル、ヘンドリック、ベティス、リドスキー、マカリーズ、サントロ、ワッツ、イェー (1977年1月)。 「エルモ・バンピー・トーラス（EBT）リアクター」。オスティ ドット ガバメント。オークリッジ国立研究所。2017 年6 月 1 日に取得。
{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) - ^ Cobble, Jim. 「ELMOバンピー・トーラス実験：ORNLのマイクロ波駆動型定常核融合装置」（PDF） . iccworkshops.org . Los Alamos National Laboratory、2011年8月18日。 2012年4月25日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2017年6月1日閲覧。
- ^ abcd Braams & Stott 2002、p. 121.
- ^ グループ1985、1271ページ。
参考文献
- グループ、EBT（1985年9月）. 「ELMOバンピー・トーラス計画」.核融合. 25 (9): 1271– 1274. doi :10.1088/0029-5515/25/9/046. S2CID 250782537.
{{cite journal}}:|last=一般的な名前があります（ヘルプ） - Braams, CM; Stott, PE (2002).核融合：磁気閉じ込め核融合研究の半世紀. CRC Press.書誌コード:2002nfhc.book.....B.
