シータピンチ

オリジナルのスキュラは1958年に完成し、すぐに世界初の制御された核融合反応を実証しました。反応室は右側の白い管の中央にあります。

シータピンチ（またはシータピンチ）は、核融合発電炉の設計の一種です。この名称は、プラズマ燃料を炉内に閉じ込めるために用いられる電流の配置に由来し、極座標図で通常シータと表記される方向に円筒の周囲を流れるように配置されています。この名称は、ピンチ効果を利用して電流を円筒の中心に沿って流す装置と区別するために付けられました。これらの装置は、直交座標のZ軸にちなんでZピンチ装置として知られるようになりました。

シータピンチは主にアメリカ合衆国、特にロスアラモス国立研究所（LANL）のScyllaと呼ばれる一連の装置で開発されました。1958年、Scylla Iは重水素の熱核融合反応を制御下で明確に実証した最初の装置となりました。1960年代には、Scylla Iは核融合研究の主要な分野の一つとなりました。ゼネラル・エレクトリック社や海軍研究所もこの概念の実験を行い、後に多くの国際的な研究所もこの実験を行いました。一連の装置の頂点に君臨するのがScylla IVで、 燃焼プラズマを維持するのに十分すぎる8000万Kという高温を実証しました。これらの実験中、Scylla IVは数十億回の核融合反応を発生させました。

Scylla装置は、閉じ込め時間が数マイクロ秒程度と非常に短いことも示しました。これは、リニアチューブの端部における損失が原因だと考えられていました。Scyllac（Scylla-closed）は、閉じ込め性能を1000倍向上させるトロイダル型を試験するために設計されました。しかし、設計ミスによりScyllacは目標性能に程遠い結果に終わり、米国原子力委員会は1977年にこの計画を中止し、トカマクと磁気ミラーの開発に注力することになりました。

1970年代以降、シータへの関心が薄れてきた理由の一つは、磁場反転配置（FRC）として知られる設計のバリエーションが盛んに研究されてきたことにあります。このバージョンでは、誘導磁場を閉形状にすることで閉じ込め性能を向上させます。FRCとシータピンチの違いは大きく、FRCは独立した概念として考えられています。同様に、シータピンチは磁化ターゲット核融合システムでよく見られますが、これも当初の概念とは大きく異なります。

融合の基礎

核融合は、原子核（陽子と中性子）が十分に接近し、核力によって一つの大きな原子核に引き寄せられるときに起こります。この作用に対抗するのが静電気力で、陽子のように同じ電荷を持つ荷電粒子は互いに反発します。核融合するには、粒子がこのクーロン障壁を乗り越えられるほどの速度で移動する必要があります。核力は原子核の数とともに増加し、原子核内の中性子の数が最大になるとクーロン障壁が低下します。そのため、水素やヘリウムなどの軽い元素の同位体で中性子が余分に多い場合、核融合率は最大になります。^{[ 1 ]}

古典電磁気学を用いると、クーロン障壁を乗り越えるのに必要なエネルギーは莫大なものになる。1920年代に物理学者が量子力学という新しい科学を探求するにつれ、計算は大きく変化した。ジョージ・ガモフによる1928年の量子トンネル効果に関する論文は、原子核反応が古典理論の予測よりはるかに低いエネルギーで起こり得ることを実証した。この新しい理論を用いて、1929年にフリッツ・ハウターマンスとロバート・アトキンソンは、太陽の中心部で予想される反応率が、太陽は核融合によって動いているというアーサー・エディントンの1920年の示唆を裏付けることを実証した。 ^{[ 1 ]} 1934年、マーク・オリファント、ポール・ハートテック、アーネスト・ラザフォードは、粒子加速器を用いて重水素の原子核を重水素、リチウムおよびその他の元素を含む金属箔に打ち込み、地球上で初めて核融合を達成した。 ^{[ 2 ]}これにより、様々な核融合反応の核断面積を測定することができ、重水素-重水素反応が最も低いエネルギーで起こり、約10万 電子ボルト（100 keV）でピークに達することを決定しました。^{[ 3 ]}

このエネルギーは、約100億ケルビン（K）に加熱されたガス中の粒子の平均エネルギーに相当します。数千K以上に加熱された物質は電子と原子核に解離し、プラズマと呼ばれる気体状の物質状態を生成します。どのようなガスでも、粒子は広いエネルギー範囲を持ち、通常はマクスウェル・ボルツマンの統計に従います。このような混合物では、少数の粒子が全体よりもはるかに高いエネルギーを持ちます。^{[ 4 ]}このことから興味深い可能性が浮かび上がります。平均温度が100keVをはるかに下回る場合でも、ガス中の一部の粒子がランダムに核融合反応を起こすのに十分なエネルギーを持つことがあります。これらの反応は膨大な量のエネルギーを放出します。そのエネルギーをプラズマに再び取り込むことができれば、他の粒子も同様にそのエネルギーまで加熱することができ、反応を自立的に継続させることができます。1944年、エンリコ・フェルミは、重水素-三重水素燃料の場合、約5000万Kでこれが起こると計算しました。^{[ 5 ] [ 6 ] [ a ]}

この可能性を利用するには、燃料プラズマを十分長く保持して、これらのランダムな反応が起こる時間を与える必要がある。 他の高温ガスと同様に、プラズマには内部圧力があり、理想気体の法則に従って膨張しようとする。^{[ 4 ]}核融合炉にとっての問題は、この圧力に逆らってプラズマを閉じ込めておくことである。既知の物質はどれも、この温度では溶けてしまう。^{[ 7 ]} プラズマは自由に移動する荷電粒子で構成されているため、導電性がある。そのため、プラズマは電場と磁場の影響を受ける。磁場内では、電子と原子核は磁力線の周りを回る。^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}単純な閉じ込めシステムは、ソレノイドの開いたコア内に置かれたプラズマで満たされたチューブである。プラズマは自然にチューブの壁に向かって外側に膨張し、チューブに沿って端に向かって移動しようとする。ソレノイドはチューブの中心を走る磁場を作り出し、粒子はその磁場を周回して、側面への動きを防ぐ。残念ながら、この配置ではプラズマが管の長さに沿って閉じ込められず、端から自由に流れ出てしまいます。純粋に実験的な装置であれば、これらの損失は必ずしも大きな問題にはなりませんが、生産システムではこれらの端からの損失を排除する必要があります。^{[ 10 ]}

ピンチ効果

核融合計画の初期には、これらの問題に対処する3つの設計が急速に登場しました。ステラレータはやや複雑な装置でしたが、魅力的な特性を備えていました。磁気ミラーとピンチ効果装置ははるかにシンプルで、前者は改良されたソレノイドで構成され、後者は実質的に蛍光灯の高出力版です。特にピンチ効果は閉じ込め問題に対する極めてシンプルな解決策と思われ、米国、英国、ソ連の研究所で活発に研究されていました。^{[ 11 ]}

これらの装置がより高い閉じ込めレベルで試験されるようになると、すぐに重大な問題が明らかになった。電流が流され、プラズマが柱状に絞られ始めると、プラズマは不安定になり、もがきながら最終的に管の側面に衝突する。これはガス密度のわずかな差によるものであることがすぐに判明した。放電が加えられると、密度が少しでも高い領域では電流が大きくなり、磁気圧も高くなる。その結果、その領域はより急速に絞られ、密度がさらに増加し​​、「キンク」と呼ばれる連鎖反応によってプラズマは閉じ込め領域から押し出される。^{[ 11 ]}

1950年代初頭、これらの取り組みはすべて秘密裏に進められていた。しかし、1956年にソ連の原子爆弾開発責任者イゴール・クルチャトフが英国の同僚たちに講演を申し出たことで、その秘密は破られた。皆を驚かせたのは、クルチャトフがソ連の核融合計画の概要を説明したことだった。主に線形ピンチとプラズマの安定性に関する大きな問題について語ったのだ。英国は既に米国が同様の問題を抱えていることを認識しており、自国も同様の問題を抱えていた。核融合への近道はもはや存在しないと思われ、この分野全体の機密解除に向けた動きが始まった。3カ国は1958年、ジュネーブで開催された第2回平和のための原子力会議で、それぞれの研究成果を発表した。^{[ 12 ]}

シータピンチ

ピンチマシンに見られる安定性の問題を解決する一つのアプローチとして、「高速ピンチ」という概念が挙げられます。このアプローチでは、ピンチを発生させる電流を、短時間のバーストで印加します。バーストはプラズマ全体を崩壊させるには短すぎます。代わりに、外層のみが圧縮され、その速度は衝撃波を形成するほどです。この衝撃波を用いてプラズマを圧縮することが、通常のピンチのようにプラズマ柱全体を崩壊させるのではなく、プラズマを圧縮する目的でした。^{[ 13 ]}

ミラーとステラレータはプラズマをそれほど圧縮せず、安定性の問題も発生していないように見えました。しかし、これらの装置には実用的な問題がありました。ピンチシステムでは、プラズマの崩壊によって加熱されるため、電流がプラズマを閉じ込める力と核融合反応を開始するために必要な熱の両方を供給していました。他の装置では、何らかの外部加熱源が必要でした。ローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）の米国ミラープログラムのリーダーであるリチャード・ポストは、外部磁石を用いてプラズマを圧縮する一連のミラーを開発しました。^{[ 14 ]}

海軍研究所（NRL）のアラン・コルブは、ミラー圧縮のコンセプトに着目し、高速ピンチ方式の衝撃圧縮と組み合わせることで、両者の利点を活かすというアイデアを考案した。彼の最初のコンセプトは、両端に金属リングを備えたミラーで構成されていた。ミラー内でプラズマが形成されると、2つのリングに巨大な電流バーストが1回流された。このアイデアは、チューブの両端で急速なピンチを引き起こし、衝撃波が内側に進み、ミラーの中央で合流するというものだった。^{[ 13 ]}

この設計を検討していたところ、全く新しいアプローチが浮かび上がった。このバージョンでは、ピンチ現象は、管の周囲に1回巻き付けられた幅広の銅板1枚を通して誘導される。通電すると、電流が管の外側を流れ、管の長軸に沿って直角に磁場が発生する。この磁場は、プラズマの外側、つまり「境界領域」を流れる電流を誘導する。^{[ 15 ]}

レンツの法則によれば、この電流は、磁場を発生させた方向とは逆の方向に流れる。これは、元の磁場をプラズマから押し出し、銅板内の磁場へと押し出す効果を持つ。プラズマと容器壁の間の領域におけるこれら2つの磁場の相互作用が、プラズマをピンチする内向きの駆動力を生み出した。プラズマ本体には電流が流れていないため、他のピンチ装置で見られるような不安定性は発生しない。^{[ 13 ]}

この新しい設計がエネルギー研究所内で知られるようになると、ロスアラモスのジェームズ・L・タックは、従来のピンチ方式と区別するために、これをシータピンチ^{[ 16 ]と名付けました。当初のピンチ方式は、遡及的にZピンチとして知られるようになりました。 [ 13 ]}他にもこの設計に興味を示した者がおり、ゼネラル・エレクトリック（GE）では、この概念を発電炉の基礎として検討する小規模なチームが結成されました。^{[ 17 ]}

核融合の成功

英国のZETAは1957年8月に稼働を開始し、翌月末までにチームは数百万個の中性子バーストを継続的に測定していた。前年のクルチャトフの訪問では、システム内の中性子は核融合の結果であり、それらを生成する他の反応が存在すると性急に結論付けるべきではないと警告されていた。ZETAチームはこの点を十分に検討せず、核融合反応を起こしたと確信した。彼らは1958年1月25日にこのことを報道機関に発表し、即座に世界的なニュースとなった^{[ 18 ]} 。しかし、4月に行われた更なる研究で、中性子は核融合によるものではなく、試験装置では観測できなかったプラズマの不安定性によるものであることが明らかになった^{[ 19 ] 。}

NRLでは、コルブがシングルリングのコンセプトをテストするために、ファロス装置の新しいバージョンの構築を開始しました。^{[ b ]}同じ頃、ロスアラモスでは、タックがオリジナルのコルブミラーに似た2つのリングを持つシステムの構築を開始しました。^{[ 20 ]}神話的な名前を好むタックは、この設計をスキュラと名付けました。^{[ 16 ]}スキュラIは1958年初頭に稼働を開始し、すぐにパルスごとに数万個の中性子を放出しました。キース・ボイヤーがファロスのようなシングルターンコイルを使用するための改造を開始したのはこの頃でした。新しいバージョンが稼働すると、数千万個の中性子を放出し始めました。^{[ 15 ]}

ゼータの主張をめぐる一連の出来事により、スキュラチームは中性子が核融合反応によるものであることを確実にする必要に迫られ、1958年の夏をかけてあらゆる種類の独立した測定を行った。この頃には、コルブのファロスも中性子を生成していた。目標は、ジュネーブ会議までに何らかの方法で決定的な結果を得ることだった。^{[ 15 ]}残念ながら、時間が足りなかった。チームは9月にスキュラI号をショーに送り、1回の発射で約2000万個の中性子を生成していると述べたが、^{[ 21 ]}その起源については言及しないように注意した。^{[ 22 ]}

最終的な証拠は番組の直後に提示された。このシステムを用いた様々な実験により、イオンは約1500万ケルビンで熱核融合していることが実証された。これはゼータよりもはるかに高温であり、中性子が核融合反応によって生じたとすれば、その説明に十分な温度であった。これは、実験室で重水素の熱核融合反応が起こり得るという最初の明確な証拠であった。^{[ 23 ] [ 24 ]}

後期のデバイス

核融合プログラムのコストが高騰し続けることを懸念した米国原子力委員会（AEC）研究部門長のポール・マクダニエルは、1963年度予算において、研究所で開発中の数多くの設計のうち1つを中止することを決定した。タックは、すべての研究者は物理現象を実証するために小規模なシステムのみに集中すべきであり、基礎が実証されない限り規模を拡大する意味はないと主張していた。そのため、ロスアラモスには多数の小型装置が存在し、成功か失敗かを決定づける単一のコンセプトは存在しなかった。マクダニエルは、ロスアラモスのプログラムを1つ中止しても、政治的な影響は最小限に抑えられるだろうと考えた。この出来事はタックに重要な教訓を与えた。中止を避けるには、潰せないほど巨大になることが必要だ、と。1964年の議会証言で、タックは「我々は巨大な装置を建造したり、多くのスタッフを雇ったりする誘惑に抵抗した。これは非常に高潔な行為のように聞こえるが、今となってはそれが自殺行為だったと認識している」と述べた。^{[ 25 ]}タック、リチャード・タシェック、ロスアラモスの所長ノリス・ブラッドベリーは皆、研究所には大型の機械が必要だと確信していた。^{[ 25 ]}

一方、Scylla Iの成功は、1960年代初頭に探究され始めたいくつかの潜在的な開発経路につながった。短期的には、一連の小さな改良によりScylla IIが作られた。これはオリジナルに似ていたが、後にコンデンサ電力が35kJから185kJにアップグレードされた。1959年にオンラインになったが、はるかに大きなScylla IIIが建造され、1960年後半に稼働を開始するまで、短期間しか使用されなかった。初期の運用は成功し、すぐにさらに大きなScylla IVへとつながり、1963年1月に作業が開始された。Scylla IVは素晴らしい結果を生み出し、8000万ケルビンおよび2 x 10 ¹⁶粒子密度^{[ 26 ]}に到達し、実用的な原子炉領域に十分入り、パルスごとに数十億の反応を生成していた^{[ 23 ]} 。残念ながら、このシステムは閉じ込め時間も2マイクロ秒程度と非常に短く、実用的な原子炉設計には短すぎることが分かった。^{[ 26 ]}

1960年代を通じて、シータピンチは核融合分野における主導的なプログラムの一つとして台頭した。英国のアルダーマストンと当時開所したばかりのカルハム（当時シータトロンと呼ばれていた） 、ドイツのガルヒング・キャンパスとユーリッヒ研究センター、イタリアのフラスカティ国立研究所、そして日本の名古屋大学、大阪大学、日本大学に新しいチームが結成された。^{[ 27 ] [ 28 ]}これらの実験により、システムが新しい形態の不安定性、すなわちm =2不安定性に晒されることが実証された。この不安定性により、プラズマは元の円筒形からバーベルのような形状に薄くなる。このため、この不安定性を引き起こすプラズマの回転を防ぐため、様々な配置で数多くの実験が行われた。^{[ 24 ]}

この頃、ゼネラル・エレクトリックは撤退した。短期間で性能の飛躍的向上は見込めず、研究を進めるにはより大型の装置が必要となり、社内資金だけでは到底開発できないと判断したためである。レスリー・クックの指揮下でこの分野に関するレビューが発表され、「近い将来、経済的に成功する核融合発電所が開発される可能性は低い」と結論づけられた。GEはAECに資金援助を求めたが、彼らの計画はスキュラIVと比べて目新しいものがないと判断し、断られた。その後、GEは計画を縮小した。^{[ 29 ]}

トロイダルシータ

Fred RibeがScyllacのコンセプトについて説明しています。右上に元のM&S磁場があり、磁場の連続した波形によって内側の経路が長くなっています。そのために必要な磁石は右下にあります。

研究者たちは、閉じ込め時間が短いのは原子炉の開放端からの粒子損失によるものだと確信していた。1965年、タックに代わりスキュラチームのリーダーとなったフレッド・リーベは、スキュラのレイアウトに基づいた実用的な原子炉の調査を開始した。彼らは増殖ブランケットを一種の磁気導体として使用することでシステムを改良できることを発見した。これにより、金属ブランケットを通過する際に電流が増幅されるため、外部への電流供給をはるかに弱めることができる。与えられた端部損失率で設計を機能させるには、ブランケットを非常に長くする必要があり、ローソンの基準で要求される3ミリ秒の閉じ込めを達成するには、計算により500メートル（1,600フィート）必要になると示唆された。 [ ^{30 ]これ}には、途方もなく大きな電源が必要になる。^{[ 31 ]}

エンドフローの問題は、実験管を曲げてトーラス（ドーナツ型、またはリング型）にすることで最も簡単に解決できます。この場合、装置の長軸に沿って流れる粒子はもはや何にも衝突せず、永遠に循環し続けることができます。しかし、核融合研究の初期から、この構成は安定しないことが実証されていました。このような容器に磁場をかけると、純粋に幾何学的な理由から、曲線の内側の磁場が外側よりも強くなり、プラズマ内に不均一な力が生じ、イオンと電子が中心から離れてしまいます。^{[ 32 ] [ 30 ]}この問題には、いくつかの解決策が導入されており、特に初期のピンチ装置が有名です。これらの装置では、ピンチ電流の内向きの力はドリフト力よりも大幅に強力であったため、問題は発生しませんでした。もう一つの解決策はステラレータで、粒子を循環させ、管の内側と外側で粒子が時間を過ごしてドリフトを相殺しました。^{[ 33 ]}

1958年、ガルヒングのマイヤーとシュミットは別の解決策を提案した。彼らは、トロイドの安定性の鍵となる要件は、曲線の内側と外側の全経路長が同じであることだと指摘した。ステラレータは粒子を循環させ、回転変換を加えることでこれを実現した。マイヤーとシュミットは、磁石を改造することで、トーラスの周りを移動する際に均一ではない磁場を生成することを提案した。磁場は狭くなり、その後広がることで、ソーセージの輪のような形状の磁場を生成する。磁場は内側の曲線でより内側に曲げられ、曲線が長くなるため、内側と外側の全経路長は同じになった。^{[ 31 ]}

シータピンチ装置が、端部損失が更なる研究の限界となる領域にまで進出し始めたため、この概念は、シータピンチをトロイダル配置へと移行させる方法を提供するように思われた。この配置は、ステラレータとは十分に異なるため、興味深いものであった。この解決策は、マイヤーとシュミットの波形バージョンに必要なより複雑な磁石配置と比較して、ステラレータのコンセプトが単純であったため、あまり深く検討されていなかった。^{[ 34 ]}更なる研究により、更なる不安定性が明らかになったが、予測されたこれらの不安定性からのドリフトは緩やかであり、動的安定化によって対処できるとされた。^{[ 31 ]}

ロスアラモスチームは資金確保のために大型の装置を希望し、次の装置として大型のトロイダルシータを提案した。これは単に大型の実験システムとしてだけでなく、発電システムの潜在的なデモンストレーションとしても有効であった。^{[ 25 ]} 1965年までに、LANLはScylla Vという名前でそのような装置を提案していた。 ^{[ 35 ]}

高ベータステラレータ

アマサ・ストーン・ビショップは最近、アーサー・ルアークからAECの核融合管理を引き継ぎ、NRLとGEのシータチームのメンバーを含むスキュラV提案を検討する委員会を結成した。彼らは、観測されているエネルギー損失が端損失によるものであるという説得力のある証拠はないと結論付け、動的安定化の有効性と、それに必要な磁場変化が単に新たな不安定性を引き起こす可能性について懸念を表明した。委員会は、導入される概念を試験するために、長さ15メートル（49フィート）の線形炉をもう1基建設することを強く提案した。^{[ 36 ]}しかし、他にプロジェクトがなかったため、このシステムは承認されたが、原型発電炉ではなく、高ベータ領域の研究を対象とするという条件付きであった。これが、プログラムの全体目標の管理がワシントンに移ることの始まりとなった。^{[ 37 ]}

パネルメンバーの一人、ハロルド・グラッドはプラズマ物理学と安定性の専門家として知られていました。ニューヨークに戻ると、彼はシータピンチの概念に関するあらゆる刊行物を読み始め、動的安定化システムはおそらく機能せず、たとえ機能したとしても非常に複雑になると結論付けました。彼は代わりに、最近のステラレータに追加されているような螺旋状の磁石を使用することを提案しました。これらの磁石は自然に安定しているように見えたからです。彼は最終的に得られたシステムを「高ベータ・ステラレータ」と呼びました。ベータとはプラズマ中の磁力の強さを表す指標であり、ピンチ装置でははるかに高い値になります。^{[ 34 ]}

ロスアラモスはグラッドの研究に非常に興味を示し、1968年8月にノボシビルスクで開催される予定の3年ごとの核融合研究会議で発表することを視野に入れて、グラッドにその研究を全面的に発展させることを提案した。チームが研究を続ける中で、いくつかの新たな、そして不穏な不安定性が明らかになり、螺旋磁石は最終的に元のマイヤー＝シュミットのコンセプトよりも安定していないことが明らかになった。さらに別の動的減衰機構を追加する必要があった^{[ 38 ]。}今回は、特性時間T内に反応する減衰機構であった^{[ 36 ]}。

シータ対トカマク

ノボシビルスク会議において、ソ連代表団は、従来の装置に比べて大幅な改良が見られるトカマク装置に関する新たな研究結果を発表しました。当初、この研究結果は適切な計測機器の不足を理由に却下され、結果の信頼性をめぐって激しい議論が巻き起こりました。^{[ 39 ]}

ソ連は、自らの設計が機能するかどうかを実証するための説得力のある解決策を思いついた。1960年代、イギリスはレーザーシステムを用いてプラズマ中の粒子の温度を直接測定する技術を開発していた。レフ・アルツィモヴィッチは、チームに装置をクルチャトフ研究所に持ち込み、独自に性能を測定するよう依頼した。システムのセットアップと調整には数ヶ月を要したが、1969年の初夏までに、トカマクが実際に説明通りに動作していることが明らかになった。^{[ 40 ]}

これにより、米国は核融合競争で後れを取るという不都合な立場に立たされた。当初、研究所はトカマク型核融合炉の建設を検討することを拒否し、劣っている理由を長々と列挙した。1969年5月、原子力委員会（AEC）の核融合部門長タシェクはビショップに宛てた書簡で、米国は妥当な性能を示す可能性が最も高い自国の装置で対抗すべきだと述べ、「スキュラックと2Xであることは否定できない！米国が保有するどの装置よりも優れている」と述べた。^{[ 36 ] [ c ]}スキュラック計画が一度に多くの問題を解決しようとしていることを依然として懸念していたAECは、まず線形装置を建設すべきだという提案を繰り返した。^{[ 36 ]}

1969年10月末、トカマクの成果が翌月に公表されるのを前に、米国は独自のトカマク計画を開始した。これにより、シラックは安定性という目標を実証するだけでなく、既に優れた性能を示していたこれらの装置と競争しなければならない立場に置かれた。これは、線形版がトカマクと競合する値を短期間で達成する可能性を示した。タシェクが1970年半ばに述べたように、「線形シータピンチが…短期間で実現したようには見えないnτダービーに大きな貢献をもたらすであろうことに注目すべきことは、戦術的にも影響力的にも真に価値があるかもしれない」 ^{[ 36 ] 。}

シラック

建設中のフルサークル型 Scyllac 核融合炉。

15メートルの直線型をまず建造するのが賢明だと思われたにもかかわらず、リーベは代わりに実物大のシラックをできるだけ早く建造する方が良いと判断した。これを実現するために、1969年2月に彼は、シラックの120度セクター（機械全体の構築方法を学ぶために使用）と同時に、10メートル（33フィート）の短い直線型装置を建造するという計画を概説した。1970年までに彼はこれらの計画をさらに修正し、直線型装置をわずか5メートル（16フィート）に縮小し、両端に2メートル（6フィート7インチ）の鏡を配置して閉じ込め時間を短縮した。^{[ 36 ]}

1972年、ロバート・L・ハーシュがビショップからAECの核融合プログラムを引き継ぎました。トカマクの性能向上により実用化の可能性が示唆されたため、ハーシュは性能と経済性の両面からプログラムの再評価を開始しました。トカマクは優れたプラズマ性能を有していましたが、ローレンス・リバモアで開発されていたミラーは建設・運用コストがはるかに低かったため、この2つの装置が彼の計画の中心となりました。ロスアラモスは、自らの設計を継続させるため、トロイダル部の開発を迅速に進め、自らのアプローチも検討に値することを証明することを決定しました。^{[ 41 ]}

第一セクターの実験は1971年4月に開始され、大まかな安定性が実証され、研究所は盛大な祝賀ムードに包まれました。次のステップはフィードバック安定システムの追加でした。この頃、MITのケン・トーマスセンは追加の計算を行い、現在の設計の半径ではフィードバックが機能しないことを示していました。1972年後半、リーベはこの問題に対処するため、スキュラックの直径を4.8メートル（16フィート）から8メートル（26フィート）に拡大することを決定しました。これにより曲率が減少し、フィードバックの必要レベルも低下しました。これにより、臨界パラメータTは0.9マイクロ秒に減少し、1マイクロ秒未満であれば問題なく動作するようになりました。^{[ 42 ]}

この頃、フィードバック・プログラムの主責任者であったロビン・グリブルは、ロスアラモスの別のプロジェクトに配属されていました。プログラムが進むにつれて、レイアウトに2回の変更が加えられ、Tパラメータが増加しました。プログラムのフィードバック側を直接担当する者がいなかったため、この問題は見過ごされていました。スキュラIVと元のセグメントでの実験は、チーム全体が新しい拡張設計に集中したため終了し、追加の問題は発見されませんでした。^{[ 42 ]}

シラックは1974年4月に開通した。10月にはフィードバックシステムが機能していないことが明らかになった。この時点でTの値を再計算したところ、1.5であることが判明した。さらに悪いことに、基礎理論のさらなる研究により、1という値は不十分であり、0.5に近い値が必要であることが示唆された。決定的な打撃は、1971年に最初のセグメントで観測された全体的な安定性が幻影であることが判明したことだ。大型の装置では、プラズマがゆっくりと漂うのが観測された。安定化システムはこれを止めるのがやっとで、ましてやより速い不安定性を修正することは不可能だった。^{[ 42 ]}

リニアストップ

スキュラの失敗により、アメリカ合衆国はプリンストンを中心とする独自のトカマク計画と、リバモアのミラー計画のみを残すことになった。ロスアラモスはシステムを救うため、もう一つの解決策を試み、軽金属を用いて両端に物理的なストッパーを備えたスキュラIVを再稼働させた。このスキュラIV-Pは閉じ込め時間を9マイクロ秒から29マイクロ秒へと3倍に改善した。しかし、これは実用炉に必要なミリ秒単位の速度を達成するには程遠かった。20年にわたる努力の末、シータ計画の最高の成果は、最初のスキュラシリーズの成果をわずかに上回る程度にとどまった。^{[ 24 ]}

FRC

1960年代、いくつかの研究チームがシータ実験において閉じ込め時間が改善されることがあることに気づきました。これは、外部パルスがゼロに戻る際に磁場が再構成される際に発生しました。当時、この挙動は一般的に望ましくないと考えられていましたが、磁場が折り畳まれるにつれてイオン温度が上昇するという利点があり、この作用によって核融合が起こる温度まで温度が上昇しました。^{[ 43 ]}

1972年、ジョン・ブライアン・テイラーは、 ZETAで観測されていたものの当時は認識されていなかった磁場保存と磁束反転に関する一連の論文を発表しました。これは逆転磁場ピンチの概念につながり、1970年代から80年代にかけて発展しました。シータ装置で見られる磁場反転も基本的なメカニズムは同じでしたが、最終的には異なるレイアウトになりました。^{[ 43 ]}

1970年代初頭、クルチャトフ研究所は、ピンチ電力を低減し、直線管の端部に磁場反転を促進する磁石を追加することで、長期間にわたる安定した閉じ込めを実証しました。この磁場反転配置（FRC）プラズマに関する研究成果の発表により、このテーマは大きな関心を集め、米国と日本で新たな取り組みが始まりました。これらは配置上、技術的にはシータピンチですが、その概念は核融合発電への独自のアプローチとして捉えられています。^{[ 43 ]}

注記

1. オリファントが反応速度について最初の実験を行った当時はトリチウムは未知であったが、DT反応はオリファントが実験したDD反応よりも低いエネルギーレベルで起こる。
2. NRLは1970年代に全く無関係な核融合実験にファロスという名称を使用した。
3. 2X は LLNL の最新のミラー マシンでした。

参考文献

引用

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参考文献

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• クレリー、ダニエル（2014年）『太陽のかけら：核融合エネルギーの探求』エイブラムス社、ISBN 9781468310412。
• タック、ジェームズ (1965).ロスアラモスにおける制御熱核融合研究のレビュー(PDF) (技術報告書).
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• ブラームス、コルネリス、ストット、ピーター (2002).核融合：磁気閉じ込め核融合研究の半世紀(PDF) . Institute of Physics Publishing. ISBN 0750307056。
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• ディーン、スティーブン（2013）『究極のエネルギー源の探求』シュプリンガー、ISBN 9781461460374。
• ハーマン、ロビン（1990年）『核融合：無限のエネルギーの探求』ケンブリッジ大学出版局、ISBN 978-0-521-38373-8。
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• マクラッケン、ギャリー、ストット、ピーター（2005年）『核融合：宇宙のエネルギー』エルゼビア社、ISBN 9780080492711。
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• フィリップス、ジェームズ（1983年冬春号）「磁気核融合」（PDF）ロスアラモスサイエンス誌、 64～ 67頁 。
• セイフ、チャールズ（2008年）『ボトルの中の太陽』ペンギン社、ISBN 9781101078990。
• トムソン、ジョージ（1958年1月30日）「熱核融合：課題と勝利」ニューサイエンティスト誌、  11～ 13頁。

さらに読む

• ケンタッキー州マッケンナ。シーモン、レバノン州 (1985)。「ロスアラモスでのシータピンチ研究」。核融合。25 (9)。 IOP 出版: 1267 ～ 1270。doi : 10.1088 / 0029-5515/25/9/045。S2CID  122768497。

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