核融合ロケット
NASAによる核融合推進ロケットの概略図

核融合ロケットとは、核融合推進によって駆動するロケットの理論的な設計であり、大量の燃料を搭載することなく、宇宙空間で効率的かつ持続的な加速を可能にする。この設計には、現在の能力を超える核融合発電技術と、はるかに大型で複雑なロケットが必要となる。

核融合核パルス推進は、核融合エネルギーを利用して推進力を得る方法の 1 つです。

核融合の主な利点は、比推力が非常に高いことですが、主な欠点は、原子炉の質量が（おそらく）大きいことです。核融合ロケットは、核分裂ロケットよりも放射線の発生が少ないため、必要な遮蔽質量が少なくて済みます。核融合ロケットを建造する最も簡単な方法は、オリオン計画で提案されているように水素爆弾を使用することですが、そのような宇宙船は巨大になり、部分的核実験禁止条約でそのような爆弾の使用が禁止されています。そのため、爆弾ベースのロケットは、宇宙での運用のみに制限される可能性があります。代替アプローチとして、直接推進の代わりに、核融合によって生成された電力による 電気（イオンなど）推進があります。

発電と直接推進

イオンスラスタなどの宇宙船の推進方法は、動作に電力を必要とするものの、非常に効率的です。場合によっては、その推力は発電可能な電力量によって制限されます（例えば、マスドライバー）。核融合エネルギーで稼働する発電機は、そのような宇宙船を駆動することができます。ただし、従来の発電方法では低温のエネルギーシンクが必要であり、宇宙船内ではそれが困難（つまり重い）であるという欠点があります。核融合生成物の運動エネルギーを直接電力に変換することで、この問題は軽減されます。[ 1 ]

魅力的な可能性の一つは、核融合反応で生じた排気ガスをロケット後方に導き、中間の電力生産を伴わずに推力を得るというものである。これは、磁気ミラーなどの閉じ込め方式では、他の閉じ込め方式（例えばトカマク）よりも容易である。また、「先進燃料」​​（中性子融合を参照）にもより魅力的である。ヘリウム3推進は、ヘリウム3原子の核融合を動力源として利用する。陽子2個と中性子1個からなるヘリウム同位体であるヘリウム3は、原子炉内で重水素と核融合させることができる。その結果生じるエネルギー放出によって、推進剤を宇宙船後方から排出することができる。ヘリウム3が宇宙船の動力源として提案されているのは、主に月面に豊富に存在するためである。科学者たちは、月には100万トンの利用可能なヘリウム3が存在すると推定している。[ 2 ] DT反応で生成される電力のわずか20%しかこの方法で利用できない。残りの80%は中性子として放出されますが、磁場や固体壁によって方向付けられないため、推力に向けるのが難しく、遮蔽が必要になる場合があります。ヘリウム3は、重水素、リチウム、またはホウ素から生成される トリチウムのベータ崩壊によって生成されます。

たとえ自立的な核融合反応を生成できない場合でも、核融合を利用してVASIMRエンジンなどの別の推進システムの効率を高めることは可能かもしれない。

隔離の代替案

磁気

核融合反応を持続させるには、プラズマを閉じ込める必要がある。地上核融合で最も広く研究されている構成は、磁気閉じ込め核融合の一種であるトカマクである。現在、トカマクは非常に重量が大きいため、推力対重量比は許容できないと思われる。[ 3 ] NASAのグレン研究センターは2001年、「ディスカバリーII」概念宇宙船設計において、アスペクト比の小さい球状トーラス型原子炉を提案した。「ディスカバリーII」は、861トンの水素推進剤と11トンのヘリウム3-重水素（D-He3）核融合燃料を使用し、 172トンの有人ペイロードを118日間（土星までは212日間）で木星まで運ぶことができる。[ 4 ]水素は核融合プラズマデブリによって加熱され推力を増加させるが、排気速度（348～463 km/s）が低下し、推進剤の質量が増加するという代償を払う。

慣性

磁気閉じ込め方式に代わる主要な代替案は、ダイダロス計画で提案されているような慣性閉じ込め核融合（ICF）です。直径数ミリメートルの小さな核融合燃料ペレットを電子ビームまたはレーザーで点火します。直接的な推力を発生させるために、磁場がプッシャープレートを形成します。原理的には、ヘリウム-3-重水素反応または中性子核融合反応を利用することで、荷電粒子のエネルギーを最大化し、放射線を最小限に抑えることができますが、これらの反応の利用が技術的に実現可能かどうかは非常に疑問です。1970年代の詳細設計研究であるオリオン・ドライブとダイダロス計画はどちらも慣性閉じ込め方式を採用していました。1980年代には、ローレンス・リバモア国立研究所とNASAがICFを動力源とする「惑星間輸送機（VISTA）」を研究しました。円錐形のVISTA宇宙船は、100トンの積荷を火星軌道に運び、130日で地球に帰還するか、木星軌道に運び、403日で地球に帰還することができます。41トンの重水素/三重水素（DT）核融合燃料と4,124トンの水素推進剤が必要になります。[ 5 ]排気速度は157km/sです。

必要質量が非常に大きいことと、宇宙で発生する熱を管理することが難しいことから、ICF原子炉は宇宙旅行では機能しない可能性がある。[ 3 ]

磁化されたターゲット

磁化ターゲット核融合（MTF）は、より広く研究されている磁気閉じ込め核融合（すなわち、優れたエネルギー閉じ込め）と慣性閉じ込め核融合（すなわち、効率的な圧縮加熱と核融合プラズマの壁のない閉じ込め）の最良の特徴を組み合わせた、比較的新しいアプローチです。磁気閉じ込め核融合と同様に、核融合燃料は加熱されてプラズマ化する間、磁場によって低密度に閉じ込められますが、慣性閉じ込め核融合と同様に、ターゲットを急速に圧縮して燃料密度、ひいては温度を劇的に上昇させることで核融合が開始されます。MTFは強力なレーザーの代わりに「プラズマガン」（すなわち、電磁加速技術）を使用するため、低コストで軽量な小型原子炉を実現できます。[ 6 ] NASA/ MSFC有人外惑星探査（HOPE）グループは、106～165トンの推進剤（水素とDTまたはD-He3核融合燃料）を使用して、249～330日で164トンのペイロードを木星の衛星カリストに届けることができる有人MTF推進宇宙船を調査した。 [ 7 ]この設計は、前述の「ディスカバリーII」や「VISTA」のコンセプトよりも排気速度（700 km/s）が高いため、かなり小型で燃料効率が高いものとなる。

慣性静電

核融合ロケットにおけるもう一つの一般的な閉じ込め方式は、慣性静電閉じ込め（IEC）であり、ファーンズワース・ヒルシュ・フューザーや、エネルギー・マター・コンバージョン社（EMC2）が開発中のポリウェル方式などがその例です。イリノイ大学は、 10万kgの有人ペイロードを木星の衛星エウロパまで210日で運ぶことができる500トンの「フュージョンシップII」構想を策定しました。フュージョンシップIIは、 10基のD-He3 IEC核融合炉を動力源とするイオンロケットスラスタ（排気速度343km/s）を使用します。この構想では、木星系への1年間の往復飛行に300トンのアルゴン推進剤が必要になります。 [ 8 ]ロバート・ブサードは1990年代を通して、この方式の宇宙飛行への応用について議論した一連の技術論文を発表しました。彼の研究は、アナログサイエンスフィクションアンドファクト誌の記事によって広く知られるようになりました。その記事の中でトム・ライゴンは、核融合炉がいかにして非常に効果的な核融合ロケットを生み出すのかを説明しました。[ 9 ]

反物質

さらに推測的な概念として、反物質触媒核パルス推進があります。これは、反物質を触媒として核分裂反応と核融合反応を起こさせ、はるかに小規模な核融合爆発を発生させるものです。1990年代には、ペンシルベニア州立大学でAIMStarという名称で設計プロジェクトが実施されましたが、頓挫しました。[ 10 ]このプロジェクトには、現在生産可能な量よりも多くの反物質が必要になります。さらに、実現可能になるまでには、いくつかの技術的なハードルを克服する必要があります。[ 11 ]

開発プロジェクト

参照

参考文献

  1. ^ Robitzski, Dan (2020年10月7日). 「この科学者は、電気を直接推力に変換するジェットエンジンを開発したと述べている」 Futurism . 2023年8月31日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2023年8月19日閲覧。
  2. ^ Wakefield, Julie (2000年6月30日). 「月のヘリウム3が地球に電力を供給する可能性」(PDF) . 2023年1月31日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) . 2010年10月3日閲覧。
  3. ^ a b「地上核融合炉は質量が大きく、高出力の除去が必要となるため、MCF（磁気閉じ込め核融合）とICF（慣性閉じ込め核融合）は宇宙推進用途への実装が困難です。ロケットの質量は宇宙推進において確かに大きな制約であり、効率的な熱シンクがないため、宇宙では出力の排出が重大な問題となります。」メシーニ、サミュエル；ラビアーノ、フランチェスコ；レッダ、フェデリコ；ペッティナーリ、ダヴィデ；テストーニ、ラッフェラ；トルセロ、ダニエレ；パネッラ、ブルーノ（2023年6月7日）。 「商業核融合プロジェクトのレビュー」。『フロンティアズ・イン・エネルギー・リサーチ』11ページ。doi：10.3389 /fenrg.2023.1157394。ISSN 2296-598X。 
  4. ^ウィリアムズ、クレイグ・H.、ダジンスキー、レナード・A.、ボロウスキー、スタンレー・K.、ジュハス、アルバート・J. (2001年7月). 「2001年宇宙の旅」の実現：有人球状トーラス核融合推進(PDF) . 第37回共同推進会議・展示会.グレン研究センター(2005年3月発行). NASA/TM—2005-213559. 2023年7月4日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) .
  5. ^ Orth, CD (1998年4月20日).慣性核融合推進を用いた惑星間宇宙輸送(PDF) . 第9回新興核エネルギーシステムに関する国際会議. テルアビブ:ローレンス・リバモア国立研究所(1998年7月発行). UCRL-JC-129237. 2011年12月15日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2011年9月4日閲覧。
  6. ^ Cylar, Rashad (2002).先進推進研究における磁化ターゲット核融合(PDF) (技術レポート).マーシャル宇宙飛行センター/アラバマ大学. 2023年5月19日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) 。
  7. ^ Adams, RB; Alexander, RA; Chapman, JM; Fincher, SS; Hopkins, RC; Philips, AD; Polsgrove, TT; Litchford, RJ; Patton, BW; Statham, G.; White, PS; Thio, YCF (2003年11月). Conceptual Design of In-Space Vehicles for Human Exploration of the Outer Planets (PDF) (Technical report). Marshall Space Flight Center , ERC Inc., United States Department of Energy . NASA/TP—2003–212691. 2023年8月31日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) 。
  8. ^ Webber, J.; Burton, RL; Momota, H.; Richardson, N.; Shaban, Y.; Miley, GH (2003). 「Fusion Ship II - 慣性静電核融合を利用した高速有人惑星間宇宙船」(PDF) .イリノイ大学、UC、原子力・プラズマ・放射線工学部。2012年6月17日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。
  9. ^トム・ライゴン（1998年12月）「世界で最もシンプルな核融合炉：そしてそれを機能させる方法」アナログ・サイエンス・フィクション＆ファクト誌第118巻第12号、ニューヨーク。 2006年6月15日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  10. ^ Lewis, Raymond A.; Meyer, Kirby; Smith, Gerald A.; Howe, Steven D. (1999). "AIMStar: Antimatter Initiated Microfusion For Pre-cursor Interstellar Missions" (PDF) . Acta Astronautica . 44 ( 2– 4). Pennsylvania State University : 183– 186. Bibcode : 1999AcAau..44..183G . doi : 10.1016/S0094-5765(99)00046-6 . 2014年6月16日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。
  11. ^ Schmidt, GR; Gerrish, HP; Martin, JJ; Smith, GA; Meyer, KJ (1999).近い将来の推進用途に向けた反物質生成(PDF) (技術レポート). NASA & Pennsylvania State University . 2007年3月6日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2013年5月24日閲覧。
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