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フュージョン - 究極のエネルギー ソリューション

大きくて不安定な原子核が分裂する核分裂とは対照的に、 より小さな部品では、通常、軽量元素の核が融合するときに発生します。 水素は、結合してより重い元素を生成するのに十分な力で衝突します。 このプロセス中に、質量の一部が放出され、エネルギーに変換されます。 これは、アルバート アインシュタインの有名な方程式 E = mc2 によって説明されます。 核融合エネルギーは太陽や他の安定した星など、宇宙に豊富に存在します。 熱核融合によって燃料が供給されます。 ただし、開始と 自立的な核融合反応を制御し、その力を利用することは広く知られています。 これは人類がこれまで行った中で最も困難な工学的取り組みと考えられています。

水素原子核を結合するには、地上炉に取り組むエンジニアは次のことを行う必要があります。 正に帯電したイオンの相互反発を克服する方法を発見し、 クーロン力として知られ、それらを近づけて絆を形成します。 強力な核力。 多くの技術は非常に高い温度を必要とし、 太陽の中心温度である 1,500 万℃よりもはるかに高温ですが、 プラズマとしてのみ存在することができます。 この状態では、電子が原子から分離します。 原子核は雲状のガス層内で自由に動きます。

高エネルギー密度のプラズマは、不安定であり、生成が難しいことで知られています。 コントロール。 それは自由になるために動き、もがき、限界に向かって進んでいます。 封じ込めフィールドでは急速に冷却され、消散します。 メイン 核融合エネルギーにおける課題は、プラズマをどのように加熱するかなど、プラズマを中心に展開します。 それを収容し、形成し、制御します。 主に 2 つの方法があります: 磁気 閉じ込めと慣性閉じ込め。 磁気閉じ込め炉の目的は、 強力な磁場を使用して反応炉内のプラズマの安定性を維持します。 対照的に、慣性閉じ込めアプローチではレーザーを利用して圧縮し、 プラズマを反応のための位置に保つのに十分な速さでプラズマを崩壊させる

磁気閉じ込め融合 (MCF)

この概念には、強力な磁場を使用してプラズマを閉じ込め、加熱することが含まれます。 トカマクとして知られるトーラス型の装置。 200以上のトカマクが稼働中 1960 年代から構築されており、プラズマ物理学の基本原理は次のとおりです。 広く理解されています。

慣性閉じ込め核融合 (ICF)

このコンセプトには、強力なレーザーまたはイオン ビームを使用して少量の燃料を圧縮することが含まれます。 ペレットを使用して高密度を作成します。 これにより衝撃波が発生し、急速に加熱されます。 プラズマ。 ただし、燃料に作用する力が懸念されます。 ペレットはレーザープラズマの不安定性を引き起こす可能性があります。 これらの不安定性が生み出すのは、 高エネルギーの電子が燃料を散乱させて加熱し、成功を妨げます。 フュージョン。

磁化ターゲットフュージョン (MTF)

磁気慣性融合 (MIF) として知られるハイブリッド方式は、磁場を組み合わせます。 磁気閉じ込め核融合と同様に、より密度の低いプラズマを含むため、 レーザーやピストンなどの技術を適用して、熱と圧縮を行います。 慣性閉じ込め核融合。 ただし、課題は次のような点にあります。 科学者たちはまだ十分に高いプラズマ密度を達成していないか、それを維持していません 重要な燃料融合を達成するのに十分な期間。

フィールドリバース構成 (FRC)

FRC リアクターの背後にあるコンセプトには、プラズマをリアクター内に閉じ込めることが含まれます。 円筒形のプラズマに電流を誘導することにより、独自の磁場を生成します。 原子炉内では磁場の向きが相対的に逆転します。 プラズマ内の渦電流により、外部から印加された場に影響されます。 達成するために これは、リアクターがプラズマガンを利用して 2 つのプラズマをそれぞれの方向に加速することです。 他のものは粒子ビームを使用して加熱されます。 ただし、重要なのは、 FRC マシンは他のマシンと比べて安定しているにもかかわらず、 磁気閉じ込め法では、どの研究室も実証に成功していない。 十分な密度のプラズマを生成できる機能的な FRC リアクター 安定性。

未来へのエネルギー

融合材料、磁石、加熱には大幅な進歩が必要 そして電流駆動アクチュエーター。 それに耐えるには技術の進歩が必要です 将来の核融合炉で遭遇するであろう極限状態と、 核融合エネルギーを有効利用して燃料を生産します。 研究を進めるとともに 線形プラズマ装置やパイル内核分裂などの現在の施設について 放射線照射については、重大な問題に迅速に対処するためのリソースを強化する必要がある 核融合発電所の設計上の問題。

施設の稼働には長期間かかるため、早急な対応が必要です 開発と研究。 理論への投資を増やすことも重要 これらの施設の研究をサポートするシミュレーションも提供します。 重点が置かれているのは、 プラズマ対向、構造、および 機能的な目的だけでなく、核融合ブランケットや燃料サイクル要素も含まれます。 融合プラント。 さらに、診断の改善には診断の進歩が必要です。 材料が融合環境とどのように相互作用するかを理解します。

磁気融合構成には磁石を含める必要があるため、 より優れた磁界、動作温度、信頼性を備えた磁石を製造します。 製造プロセスを簡素化した磁石の開発も望まれます 生産コストも削減できます。 これらの各要素は核融合プラントの稼働に役立ちます より効率的かつ/またはより手頃な価格で。 政府のプログラムは補完する必要がある そして可能な場合には、民間企業の取り組みと連携して、 必要な磁石技術の開発において大幅な進歩を遂げ、 特に高温超電導磁石。

高周波で使用される発射構造には新しい材料が必要です プラズマ加熱および電流駆動アクチュエータ。 これらの材料は、次のことができる必要があります。 過酷な中性子およびプラズマ環境に耐え、定常状態を内蔵 冷却し、長パルスの信頼性を向上させます。 さらに、欠かせないのが、 より効率的なソース、伝送システム、およびプラズマ結合を開発するため 融合植物の競争力を高める方法。 国際 核融合エネルギー開発の取り組みは、核融合エネルギーの開発に大きく依存しています。 融合の特殊な条件に耐えることができる材料と技術 リアクター。

SR55 リアクター プロジェクト

現在存在する装置の大部分はトカマク炉です。 これらは広範囲に研究されており、最も類似していることが示されています。 発火条件

トカマク炉用の磁場エンクロージャを作成するには、3 つの要素が必要です。 磁場が必要です。 1 つ目は、外部によって生成される円形フィールドです。 コイル。 2 つ目は、プラズマを流れる電流によって生成される場です。 これにより、力線が螺旋状になります。 この磁力線のねじれ そして磁性表面の形成はプラズマを封じ込めるために重要です。 3 番目のフィールドは垂直であり、位置を安定させるのに役立ちます。 プラズマ内の電流。

リアクター内のプラズマ電流は通常、変圧器コイルによって生成されます。 として その結果、変圧器はパルスモードでのみ動作するため、リアクトルはパルスモードで動作します。 限られた期間、一次巻線に増加する電流を生成します。 これにより、プラズマ内に電流が誘導されます。 その後、 変圧器を放電して電流を再開する必要があります。 有効にする 将来の核融合発電所での継続的な運転を目指して、研究者は を使用するなど、連続電流を生成する代替方法を検討します。 高周波。

プラズマ

温度が上昇すると、材料は一連の変化を起こします。 固体から液体、そして気体へと変化します。 気温が 増加し続けると、プラズマと呼ばれる新しい物質の状態が得られます。 プラズマは、物質の 4 番目の集合状態として知られています。

プラズマは、ガス中の原子が個々の部分に分解されるときに形成されます。 電子や原子核など。 プラズマの例には、 ネオン管、電気火花、または稲妻の光。 通常のガソリンと違い、 プラズマには独特の性質があります。 電気を通すことができ、その動きは可能です。 電場と磁場によって制御されます。 この性質が融合に活かされる 高温プラズマがいわゆる磁場の中に閉じ込められる装置 周囲の壁との接触を防ぐためのケージ。

発火条件

薪の火と同様に、溶融火災にも特別な着火が必要です。 自然に燃焼する前の状態

燃焼プラズマを維持するには、かなりの量の粒子が相互作用する必要があります。 頻繁かつ激しくお互いに。 これを実現するには、磁場が必要です。 エンクロージャは十分な量の粒子とその熱を閉じ込める必要があります。 エネルギーは周囲の環境に急速に消散してはなりません。 したがって、 プラズマの密度、温度、断熱性は次の条件を満たす必要があります。 以下の基準:

  • プラズマ内の温度は最低 1 億度。
  • 2 秒間のエネルギー閉じ込め期間 - この断熱測定 熱エネルギーが注入されるまでの時間を示します。 加熱システムによるプラズマは再び失われます。
  • プラズマ密度は 1 立方センチメートルあたり 1,000 個を超える粒子です。 地球の空気マントルの約25万分の1の薄さ。 により 非常に低密度の燃焼核融合プラズマは、次のような出力密度を提供します。 非常に大きいにもかかわらず、標準の電球よりもほとんど大きくありません 温度。

磁気閉じ込め

核融合プラズマは、その性質上、材料容器に直接保管することができません。 素晴らしい気温。 薄いガスは、物体と接触するとすぐに再冷却されます。 壁。 磁場は燃料を閉じ込めて断熱するために使用されます。 容器の壁から遠ざけることで状況を克服します。

イオンや電子を含む荷電粒子は、らせん状に推進され、 磁場によって磁力線の周りを回る円軌道。 したがって、 粒子は力線に接続されます。 ただし、動き回る可能性があります ラインの長手方向に沿って自由に調整できます。 したがって、達成可能なのは、 プラズマを収容し、磁気を備えたケージ内の物質障壁から遠ざけます。

プラズマ加熱

プラズマは点火前に外部から加熱する必要があります。 いくつかのアプローチが考えられます これに使用されます:

現在の暖房

導電性プラズマに電流が流れると熱が発生します。 ホットプレートが加熱するのと同じように、抵抗によるものです。 ただし、この方法は、 加熱が進むにつれて抵抗が減少するため、主に初期加熱に効果的です。 温度が上がります。

高周波加熱

適切な周波数の電磁波が方向に向けられると、 プラズマ、プラズマ内の粒子は波の場からエネルギーを吸収し、通過します。 他のパーティクルに衝突することによって、それを他のパーティクルに付着させます。 イオンと電子が動きます 磁力線に沿った円形の経路により、有利な状態が生成されます。 共鳴。 イオンは 10 から 100 メガヘルツの範囲の周波数で周回します。 一方、より軽い電子は 60 から 60 までの範囲の周波数で周回します。 150 ギガヘルツ。

中性粒子の加熱

プラズマに導入された高エネルギー粒子は、そのエネルギーを伝達します。 プラズマ粒子に衝突して加熱することで、プラズマ粒子を生成します。 ニュートラルで 粒子インジェクターでは、イオンは最初にイオン源で生成され、その後 電場を使って加速します。 高速イオンが進入できるようにするために 磁場の囲いによって妨げられることなくプラズマを放出するには、次のことを行う必要があります。 再び中和されます。 これらの粒子は中和されると、 プラズマでは、プラズマ粒子と衝突し、そのエネルギーがプラズマに伝達されます。