ロッキード・マーティンの小型核融合炉

ロッキード・マーティン・コンパクト核融合炉（CFR）は、ロッキード・マーティン社のスカンクワークスにおける核融合発電プロジェクトでした。[ 1 ]プラズマ圧力と磁気圧力の比が1以上（トカマク設計の0.05と比較して）となる高ベータ構成により、コンパクトな設計と迅速な開発が可能になりました。このプロジェクトは2010年から2019年まで稼働していましたが、それ以降は更新がなく、部門は閉鎖されたようです。[ 2 ]

CFRの主任設計者兼技術チームリーダーであるトーマス・マクガイア[ 3 ]は、火星への旅行時間を短縮したいというNASAの要望に応えて、宇宙推進力の源として核融合を研究した。[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]

歴史

2013年に原子炉のコンセプトを発表するチャールズ・チェイス

このプロジェクトは2010年に開始され、[ 7 ] 2013年2月7日にGoogle Solve for Xフォーラムで公開されました。2014年10月、ロッキード・マーティンは「1年以内に小型核融合炉を建設・試験し、5年以内にプロトタイプを開発する」計画を発表しました。[ 8 ] 2016年5月、ロブ・ワイスはロッキード・マーティンが引き続きこのプロジェクトを支援し、投資を増やすと発表しました。[ 9 ] [ 10 ]

このプロジェクトは2021年より前に中止された。[ 11 ]

設計

ロッキード・マーティン社の小型核融合炉の初期モデル内部のプラズマ形状と磁気コイルのスケッチ。この設計はその後、2つのメインカスプのみを使用するモデルに置き換えられました

CFRは、カスプ閉じ込めと磁気ミラーを組み合わせてプラズマを閉じ込めることで、高いベータ値（プラズマ圧力と磁気圧力の比）を達成する計画です。カスプとは、磁場が急激に曲がったものです。理想的には、プラズマはカスプの表面に沿ってシースを形成し、急激に曲がった磁場の軸と端に沿ってプラズマが漏れ出します。[ 12 ]端に沿って失われたプラズマは、カスプに戻って循環します。

CFRは2組のミラーセットを使用します。円筒形の原子炉容器の両端には、一対のリングミラーが配置されています。もう一方のミラーセットは、原子炉容器の周囲を囲んでいます。リング磁石は反磁性カスプと呼ばれる磁場を発生させます。この磁場では、磁力が急速に方向を変え、原子核を2つのリングの中間点に向かって押し出します。外部磁石からの磁場は、原子核を容器の両端に向かって押し戻します。

磁場強度は中心からの距離に応じて増加する。これは、プラズマ圧力によってプラズマが膨張すると、プラズマ端の磁場が強くなり、閉じ込めが強化されることを意味する。[ 9 ]

CFRは超伝導磁石を採用しています。これにより、従来の磁石よりも少ないエネルギーで強力な磁場を発生させることができます。CFRには正味電流が流れないため、ロッキード社はプラズマ不安定性の主原因を排除できると主張しています。プラズマの表面積と体積の比率が良好であるため、閉じ込め性能が向上します。プラズマの体積が小さいため、核融合に必要なエネルギーも低減されます。

このプロジェクトでは、プロトタイプのプラズマ加熱用マイクロ波放射器を中性ビーム入射に置き換える計画です。中性ビーム入射では、電気的に中性の重水素原子がプラズマにエネルギーを伝達します。核融合反応が開始されると、核融合エネルギーはその後の核融合反応に必要な温度を維持します。[ 7 ]

最終的にデバイスが到達する可能性がある幅は21メートルである。 [ 9 ]同社は、各設計の反復期間は、欧州共同体トーラス、ITER、NIFなどの大規模プロジェクトに比べて短く、コストもはるかに低いと主張している。[ 13 ]

A200MW P型原子炉長さ18m直径7メートル、約2000トンの原子炉で、 A5W原子力潜水艦の核分裂炉とほぼ同じ大きさです。[ 14 ] [ 15 ]

課題

リング磁石はプラズマの中性子放射線から保護する必要があります。プラズマ温度は数百万ケルビンに達する必要があります。超伝導磁石は超伝導を維持するために絶対零度よりわずかに高い温度に保たれなければなりません。[ 7 ]

原子炉容器の内側を覆うブランケットには2つの機能がある。中性子を捕らえてそのエネルギーを冷却材に伝達する機能と、中性子をリチウム原子と衝突させてトリチウムに変換し、原子炉の燃料とする機能である。ブランケットの厚さは80～150cm、重量は300～1000トンと推定される。[ 7 ]

プロトタイプ

プロトタイプは、大型トラックの荷台に収まる7フィート×10フィート（2.1メートル×3.0メートル）の100メガワットの重水素・三重水素原子炉となる予定で、現在の原子炉プロトタイプの約10分の1のサイズとなる予定でした。100メガワットは8万人に電力を供給するのに十分です。 [ 9 ] [ 16 ]この目標に近づくために、一連のプロトタイプが構築されました

T-4

2015年に発表されたT4実験の技術的結果は、以下のパラメータを持つ冷たい部分電離プラズマを示しました：ピーク電子温度20電子ボルト、10 16  m −3の電子密度、1％未満の電離率、入力電力は 3kW 。閉じ込めや核融合反応率は示されていない。

マクガイアは2015年に2つの原子炉の理論的なコンセプトを提示した。1つは理想的な構成で、重量200トン、厚さ1メートルの極低温放射線遮蔽、15テスラの磁石を備える。もう1つは、重量2,000トン、厚さ2メートルの極低温放射線遮蔽、5テスラの磁石を備える保守的な構成であった。[ 17 ]

T4B

T4Bのプロトタイプは2016年に発表されました。[ 14 ]

パラメータ：

  • 直径1m × 長さ2m
    • 1MW、25keVの水素中性粒子ビーム加熱出力
    • 3ミリ秒持続
  • 仮定500kWが高速イオンに変換されます
  • n =5 × 10 19  m −3
  • β = 1 (フィールド =0.1 T )
  • V = 0.2 m 3 ,総エネルギー1170 J
  • ピークT i =75 eV
  • ピークT e =250 eV
  • ピークシース損失 =228 kW 、 P eiとほぼ同等
  • ピークリングカスプ損失 =15kW
  • ピーク軸方向カスプ損失 =1kW

TXリアクター

パラメータ：

  • 直径7m×長さ18m、厚さ1mのブランケット
  • 総出力320MW
  • 加熱出力40MW、2.3秒
  • n =5 × 10 20  m -3
  • β = 1 (磁場 = 2.3 T)
  • V = 16.3 m 3、総エネルギー51 MJ
  • T i = 9.6 keV
  • T e = 12.6 keV

T5

2019年7月、スカンクワークスの副社長兼ゼネラルマネージャーであるジェフ・バビオン氏[ 18 ]は次のように述べました。「今年はT5という別の原子炉を建設しています。これはT4よりもはるかに大きく、より強力な原子炉になります。現在のところ、今年末に稼働させる予定で、これは能力のさらなる飛躍となり、私たちのコンセプトの根底にある物理学が機能することを実証することにつながります。」[ 19 ] [ 20 ]

T5炉は、プラズマの加熱と膨張を観測するとともに、プラズマから壁を保護する磁化シースの深さを測定するために計画されました。また、プラズマを含む磁力線が、炉の超伝導磁石を支える支柱に交差または巻き付く境界における損失を測定するのにも役立ちます。特に、T5は高密度プラズマ源と、プラズマを点火する中性粒子ビームインジェクターを捕捉・閉じ込める能力を実証します。[ 21 ]

批判

英国国立核融合研究所 の物理学教授であり所長でもあるスティーブン・カウリー氏は、核融合研究における現在の考え方は「大きいほど良い」であると指摘し、より多くのデータを求めました。カウリー氏によると、他の核融合炉の建設経験から、機械のサイズを2倍にすると、熱閉じ込めが8倍改善されることが示唆されています。これは、例えば冷却された超伝導磁石を過度に加熱することなく、核融合反応に必要な極めて高い温度をどれだけ閉じ込めることができるかということです。そのため、カウリー氏は、稼働中の機械のサイズが小さいという提案に疑問を呈しています。[ 22 ]

参照

参考文献

  1. ^ FuseNet：欧州核融合教育ネットワーク、2013年5月6日時点のオリジナルからアーカイブ
  2. ^ 「スカンクワークス、2021年までに核融合プロジェクトを停止」 2023年8月30日. 2025年10月27日閲覧。
  3. ^ Hedden, Carole (2014年10月20日). 「Meet The Leader Of Skunk Works' Compact Fusion Reactor Team」 . Aviation Week & Space Technology . 2014年10月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2014年11月24日閲覧。
  4. ^ Norris, Guy (2014年10月15日)、「Skunk Works Reveals Compact Fusion Reactor Details」、Aviation Week & Space Technology、2014年10月17日時点のオリジナルよりアーカイブ、2014年10月18日閲覧。
  5. ^ Norris, Guy (2014年10月14日)、「大きな期待 – コンパクト核融合は宇宙と航空輸送の新たな力を引き出すか？」 Aviation Week & Space Technology、2014年10月18日時点のオリジナルよりアーカイブ
  6. ^ Hedden, Carole (2014年10月20日)、「スカンクワークスのコンパクト核融合炉チームのリーダー」、Aviation Week & Space Technology、2014年10月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  7. ^ a b c d Nathan, Stuart (2014年10月22日). 「コンパクト核融合に関する新たな詳細が、課題の規模を明らかにする」 . The Engineer . 2015年10月9日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2017年12月24日閲覧。
  8. ^シャラル、アンドレア. 「ロッキード、核融合エネルギープロジェクトで画期的な成果」ロイター. 2014年10月15日閲覧。
  9. ^ a b c d Wang, Brian (2016年5月3日). 「ロッキードのポータブル核融合プロジェクトは依然として進展中」 . Next Big Future . 2016年7月27日閲覧。
  10. ^ Mehta, Aaron (2016年5月3日). 「ロッキード社、ポータブル原子力発電機を依然として支援」 . 2016年7月27日閲覧。
  11. ^ 「スカンクワークス、2021年までに核融合プロジェクトを停止」 2023年8月3日. 2024年1月3日閲覧。
  12. ^マグワイア、トーマス。「ロッキード・マーティン社の小型核融合炉」。木曜コロキウム。プリンストン大学、プリンストン。2015年8月6日。講演。
  13. ^ Talbot, David (2014年10月20日). 「ロッキード・マーティン社は本当に画期的な核融合マシンを持っているのか？」テクノロジーレビュー. 2015年3月19日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2017年12月24日閲覧。
  14. ^ a b「ロッキード・マーティン社の小型核融合炉コンセプト、閉じ込めモデル、T4B実験」(PDF)。ロッキード・マーティン社、2016年。2017年12月25日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2017年12月25日閲覧。
  15. ^ワン・ブライアン（2017年5月1日）「ロッキードの小型核融合炉の設計は当初の計画の約100倍の大きさ」 NextBigFuture.com 、 New Big Future Inc. 2017年12月25日閲覧。
  16. ^ Norris, Guy (2014年10月20日). 「Fusion Frontier」. Aviation Week & Space Technology .
  17. ^ Sullivan, Regina (2015年11月20日). 「ロッキード・マーティン社の磁気カプセル型リニアリングカスプ閉じ込め構成における予備的な密度および温度測定」.第57回APSプラズマ物理部門年次会議. 60 (10): YP12.044. Bibcode : 2015APS..DPPYP2044S .
  18. ^ https://www.linkedin.com/in/jeff-a-babione-6a616a32/
  19. ^ 「R/SpecialAccess - スカンクワークス、より大型の核融合炉を建設 - ロッキード・マーティン社によると、クリーンな原子力エネルギーを供給するための小型核融合炉を開発するという同社の野心的な計画は順調に進んでおり、今年中にスケールアップされたより強力な試験炉が完成し、次の段階に進む予定です。」2019年7月19日
  20. ^ 「ロッキードのスカンクワークスがより大きな核融合炉を建設 | Aviation Week Network」。
  21. ^ 「スカンクワークスのエキゾチック核融合炉プログラム、より大型で強力な設計で前進」 2019年7月19日。
  22. ^ McGarry, Brendan (2014年10月16日)、「科学者はロッキードの核融合のブレークスルーに懐疑的」、DefenseTech'、 2020年6月14日閲覧
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