ダイノマック
左側が青、右側が赤の 2 つのカラー モデル図。青色では一連の絡み合った混沌とした乱れた螺旋が示され、赤色では絡みが少なくなり、より秩序立った螺旋に変化していることが示されています。
カオス的開始からスフェロマックの形成を示すモデル。ダイノマックは磁束を注入することで形成されるスフェロマックである。

ダイノマックは、米国エネルギー省の資金援助を受けてワシントン大学が開発したスフェロマック[ 1 ]核融合炉のコンセプトである。[ 2 ] [ 3 ]

ダイノマックは、磁束注入によって始動・維持されるスフェロマックの一種です。交流電流を用いてプラズマに磁束を誘導することで形成されます。交流変圧器も同様の誘導過程を利用して二次電流を生成します。ダイノマック内部のプラズマは、磁束全体を維持しながら、最低エネルギー状態に緩和します。[ 4 ] [ 5 ]これはテイラー状態と呼ばれ、装置内部にはスフェロマックと呼ばれるプラズマ構造が形成されます。ダイノマックは、外部誘導磁場によって始動・駆動されるスフェロマックの一種です。

技術的なルーツ

3つのフレームにわたって、スパゲッティのような無秩序な線が、ドーナツ型、いわゆるスフェロマックと呼ばれる環状構造を形成している。
スフェロマック形成

プラズマは電気を伝導する流体であり、磁場反転構造やスフェロマックを含む渦輪（例えば、煙の輪のような物体）に自己構造化できるというユニークな特性を持っています。構造化されたプラズマは、より高温、高密度、そしてより制御しやすいという利点があり、核融合炉に適しています。[ 6 ]しかし、これらのプラズマ構造を形成することは、1959年に最初の構造が観測されて以来、本質的に不安定であるため 困難でした。 [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]

1974年、ジョン・B・テイラー博士は、ループプラズマに磁束を誘導することでスフェロマックを形成できると提唱しました。するとプラズマは自然に緩和し、テイラー状態とも呼ばれるスフェロマック状態になります。[ 10 ] [ 5 ]このプロセスは、プラズマが以下の条件を満たしている場合に機能します。

  • 全磁束を保存した
  • 総エネルギーを最小化

その後、1979年にマーシャル・ローゼンブルースによってこれらの主張が検証されました。[ 11 ] 1974年当時、テイラー博士はこれらの主張を裏付けるためにゼータピンチ装置の結果しか用いることができませんでした。しかし、それ以降、テイラー状態は以下のような複数の装置で形成されています。

  • ロスアラモス国立研究所（LANL）のコンパクト・トーラス実験（CTX）。CTXは1979年から1987年にかけて稼働した。電子温度は460万ケルビンに達し[ 12 ] 、動作時間は3マイクロ秒[ 13 ]、プラズマと磁気の圧力比は0.2であった[ 14 ]。
  • ローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）の持続スフェロマック物理実験（SSPX）は、CTXの改良版であり、テイラー状態に至る緩和過程の測定に使用されました。この装置は1999年から2007年まで稼働していました。[ 15 ]
  • カリフォルニア工科大学(Caltech)のCaltech Spheromak 実験は、2000 年から 2010 年頃まで、ポール ベランズ博士の研究室で運用されていた小型の装置でした。
  • ワシントン大学のヘリシティ注入トーラス定常誘導装置（HIT-SI）は、2004年から2012年頃までジャーボー博士によって運用されていました。これはダイノマックの前身となる装置です。この装置は、数マイクロ秒（<2）にわたって90キロアンペアの安定したプラズマ電流を発生させ、 [ 16 ] 2011年には初の強制ダイナモ電流駆動（IDCD）を実証しました。[ 17 ] IDCDの画期的な進歩により、ジャーボー博士の研究グループは、この装置の初の原子炉規模のバージョンを構想し、ダイノマックと名付けました。

ダイノマックはHIT-SI実験から発展しました。HIT-SIはいくつかのアップグレードを経て、HIT-SI3（2013年から2020年頃）とHIT-SIU（2020年以降）へと発展しました。どちらも同じ装置の派生型でした。[ 18 ]これらの装置は、誘導電流を用いてスフェロマックプラズマ構造を生成・維持できることを実証しました。

磁気誘導駆動

ダイノマックと AC トランスの比較。
ダイノマックと AC トランスの比較により、両方の機械を駆動するために磁束が必要であることがわかります。
HIT-SI (左) と HIT-SI3 (右) を比較すると、フラックス インジェクターの種類と形状が異なることがわかります。
HIT-SI (左) と HIT-SI3 (右) を比較すると、フラックス インジェクターの種類と形状が異なることがわかります。

定義上、ダイノマックとは磁束注入によって始動、形成、維持されるプラズマ構造である。電気変圧器も同様のプロセスを採用しており、一次ループに磁束が生成され、二次側に交流電流が生じる。ファラデーの電磁誘導の法則により、変化する磁場のみが二次電流を誘導することができる。これが直流変圧器が存在できない理由である。ダイノマックでは、磁気誘導を利用してプラズマで満たされたチャンバー内にプラズマ電流を生成する。これによりプラズマが動き出し、システムは最終的にテイラー状態、すなわちスフェロマックへと緩和する。緩和プロセスには、インジェクターから装置中心部への磁気ヘリシティ（磁力線のねじれ）の流れが関与する。 [ 19 ]

この加熱方式の支持者は、誘導加熱は高周波（RF）や中性粒子ビーム加熱よりも2～3桁効率が高いと主張している。 [ 19 ] [ 20 ]もしこれが真実であれば、ダイノマックはトカマクや磁気ミラーといった他の核融合方式に比べていくつかの明確な利点を持つことになる。しかし、これはまだ研究の余地がある。以下は、誘導駆動がダイノマック内部でプラズマ電流を生成する上でいかに効果的であるかを示すいくつかの例である。

ダイノマックドライブの有効性[ 21 ] [ 20 ]
誘導電力（メガワット） 駆動周波数（kHz） プラズマ電流（キロアンペア） 機械 年
35.812ヒットSI2006
614.738ヒットSI2011

ダイノマックは、メインチャンバーに取り付けられた湾曲したアームであるインジェクターを使用します。これらのアームの曲線に沿って交流電流が流され、ダイノマックを駆動する磁束が生成されます。ワシントン大学は、インジェクターの数を2つと3つにして実験を行いました。交流電流の位相をオフセットすることで、ダイノマックへの磁束の連続的な注入が可能になりました。インジェクターの数はオフセット角度に影響します。駆動電流、つまりインジェクターは、インジェクターが2つの場合は90度、3つの場合は60度オフセットされます。

利点

スフェロマックのプラズマ構造は、追加の技術を必要とせずに自然に形成されます。支持者は、これがダイノマックに以下のような固有の利点をもたらすと主張しています。

  • ダイノマックは、通常プラズマ構造を悩ませるキンク、インターチェンジ、その他のプラズマ不安定性を回避できる可能性があります。そのため、ダイノマックはプラズマをベータ数のマーサー限界まで加圧・加熱できる可能性があります。[ 22 ]もしこれが真実であれば、最終的には他の核融合方式に比べて原子炉を小型化できる可能性があります。
  • 誘導駆動は、RFまたは中性ビームによる加熱よりも2～3桁効率が高くなります。[ 19 ] [ 20 ]これはまだ研究の余地があります。
  • ダイノマックでは、中性ビーム注入などの追加の加熱ハードウェアは必要ない場合があります。
  • ダイノマックにはトカマクとは対照的に中央ソレノイドがないため、原子炉の質量、コスト、および動作電力要件が低減されます。

2014年時点で、プラズマ密度は5x10 19  m −3、温度は60 eV、最大運転時間は1.5 msに達しました。閉じ込め時間に関する結果は得られていません。これらの温度では、核融合、アルファ加熱、中性子生成は発生しません。

商業化

HIT-SI装置で技術的原理が証明されると、ジャーボー博士はワシントン大学の授業で学生たちにこのアプローチに基づいた核融合炉を考案するよう課題を与えた。[ 2 ]学生たちはHIT-SIとそれ以前の装置から得られた発見を基にして、原子炉レベルの発電所としてダイノマックを設計した。

CTフュージョン
業界核融合発電
前任者ワシントン大学
設立2015 （2015年）
創設者クリス・アジェミアン、アーロン・ホサック、カイル・モーガン、デレク・サザーランド
廃止2023 （2023年）
本部
ワシントン州シアトル
、
アメリカ合衆国
従業員数
10（2023年）

最終的に、これらの学生たちはワシントン大学からスピンオフしてCTFusionを設立し、2015年にダイノマックを商業化しました。 [ 23 ]同社は3つの大学の特許の独占権を保有し、2015年から2019年にかけて公的資金と民間資金で360万ドル以上を調達しました。[ 24 ] CTの頭字語はコンパクト・トロイドの略で、スフェロマックは数十年にわたってこの名称で呼ばれていました。同社は、エネルギー高等研究計画局（ARPA-E）の核融合研究資金提供の一環として資金提供を受けました。CTFusionは2023年に閉鎖されました。[ 25 ]

他の核融合炉設計（ ITERなど）とは異なり、ダイノマックのエンジニアリングチームによると、そのコストは従来の石炭火力発電所と同程度である。[ 2 ]ダイノマックはITERの10分の1のコストで、40%の効率で5倍のエネルギーを生産すると計算されている。1ギガワットのダイノマックのコストは27億ドルで、石炭火力発電所の28億ドルと比べて大幅に低い。[ 26 ]

デザイン

ダイノマックは、ITERで開発された極低温ポンプシステムを採用しています。スフェロマックは、トカマク構成ではなく、扁平な回転楕円体を採用しており、ITERなどの多くのトカマクに見られるような中心核や大型で複雑な超伝導磁石は備えていません。磁場は、容器の周囲に巻き付けられた超伝導テープを用いてプラズマの中心に電界を印加することで生成され、プラズマは自己完結します。[ 26 ]

ダイノマックは、ITERなどのトカマクよりも小型で、建設が簡単で、建設費も安価でありながら、より多くの電力を生産します。核融合反応は自立的に進行し、余剰熱は溶融塩ブランケットによって蒸気タービンに供給されます。[ 26 ]プロトタイプは商用プロジェクトの約10分の1の規模で、プラズマを効率的に維持できます。より高い出力を得るには、より大規模なシステムとより高いプラズマ温度が必要になります。[ 2 ]

批判

ダイノマックは、装置内に注入される磁束を節約し、方向付けるために銅壁を利用しています。この壁はプラズマに接するため、金属を介した高い伝導損失が発生する可能性があります。HIT-SIでは、これらの損失を低減するために銅壁の内側を酸化アルミニウム絶縁体でコーティングしましたが、装置が核融合炉の条件に達した場合、この絶縁体も依然として大きな損失要因となる可能性があります。[ 27 ]

さらに、磁場に磁気ヘリシティを注入すると、装置はプラズマ構造を保持・維持する磁束面を破壊せざるを得なくなります。この磁束面の破壊が、ダイノマックの加熱機構が予測どおりに効率的に機能しない理由として挙げられています。

最後に、ダイノマックはチャンバーの形状が複雑であるため、メンテナンスや真空成形が複雑になり、課題が生じます。

参照

参考文献

  1. ^ DA Sutherland、TR Jarboe他「ダイノマック：強制ダイナモ電流駆動と次世代原子力発電技術を備えた先進的なスフェロマック炉コンセプト」Fusion Engineering and Design、第89巻、第4号、2014年4月、412～425頁
  2. ^ a b c dミシェル・マー、「ワシントン大学の核融合炉構想は石炭よりも安価になる可能性がある」ワシントン大学、2014年10月8日
  3. ^エヴァン・アッカーマン、「Inside the Dynomak」、 IEEE Spectrum、2014年11月26日
  4. ^ Kaptanoglu, Alan A., et al. 「HIT-SI実験のための高度なモデリング」arXivプレプリントarXiv:2003.00557 (2020).
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  9. ^ Green, TS (1960年10月1日). 「シータピンチにおける高温高密度プラズマの封じ込めの証拠」. Physical Review Letters . 5 (7): 297– 300. doi : 10.1103/PhysRevLett.5.297 . ISSN 0031-9007 . 
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  13. ^「1990年代までの物理学」、全米科学アカデミー出版、1986年、198ページ。
  14. ^ Wysocki, FJ, Fernandez, JC, Henins, I., Jarboe, TR, Marklin, GJ, 物理学評論21 (1988) 2457-2460
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  22. ^ The Nuclear Fusion Shark Tank - June Call - PSS & CT Fusion. YouTube. 2019年6月11日オンライン公開。2022年5月2日アクセス
  23. ^マシュー・モイニハン博士。核融合シャークタンク - 6月の呼びかけ - PSS & CTFusion。YouTube。2019年6月11日オンライン公開。2022年5月2日アクセス。
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  25. ^ Stiffler, Lisa (2023年4月5日). 「エネルギースタートアップCTFusionが倒産、共同創業者がライバルZapに移籍」 .
  26. ^ a b c Szondy, David (2014年10月12日). 「ワシントン大学の核融合炉、石炭よりも安いエネルギーを約束」 . newatlas.com . 2016年10月13日閲覧。
  27. ^ Sieck, PE, et al. 「HIT-SI Spheromakによる最初のプラズマ結果」APSプラズマ物理部門会議抄録第45巻、2003年
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