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核融合についてのまとめ

核融合についてのざっくりしたまとめ。特に概要と各方式の違いなど。あくまでよく知らない人向けなので、詳しく知りたい人は単語などでググってください。 間違いの指摘、疑問、補足などなどあればぜひ。何かを僕のtweetの間に突っ込んでもらっても良いです。
科学 エネルギー 核融合
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Hamaji Yukinori @yukinori_h
核融合の話をテキトウに流します。うざい人はごめんなさい。すべてを説明する気はないので気になることがあったらググってください。わかんなかったら聞いてください。専門用語は砕きますから、つまりは歪んでいるということです。気をつけてください。
Hamaji Yukinori @yukinori_h
核融合_01 軽い元素同士がクーロン力(この場合同電荷の反発力)を乗り越えて近づいた場合に起きるより大きな原子をつくる現象。加速したイオン同士を衝突させることが必要。→が絵付きでわかりやすい。( http://t.co/spAluLEN
ツイートまとめ 重水素核融合実験で起きる反応と発生する物質 まとめてみた。 ・・・けれど、ネット上いたるところに転がっている情報しかない・・・ 4938 pv 11 1 user 2
Hamaji Yukinori @yukinori_h
核融合_02 核融合反応が起きやすいのは軽い元素、その中でも最も起きやすいのが、水素の同位体(+中性子一個)の重水素(D)と、同じく水素の放射性同位体(+中性子2個)のトリチウム(T)を使ったDT反応。他にもDD反応、D3He反応なども比較的起こりやすい。
Hamaji Yukinori @yukinori_h
核融合_03 DT反応では中性子が一個出ます。高速の中性子で、核融合反応のエネルギーの5分の4をこいつが担ってくれるので炉壁表面の負荷が小さくなって助かります。中性子はリチウムとかが詰まった壁で受け止めます。漏れた分は厚いコンクリートとかで遮蔽できます。
Hamaji Yukinori @yukinori_h
磁場閉じ込め核融合_01 荷電粒子(イオンや電子)は磁力線(磁場の向きの線)に巻き付くように運動します。この声質を利用して、加熱してプラズマ化した(イオンと電子にバラけた)燃料ガスを磁場で閉じ込めて、衝突したDTイオンに反応を起こさせます。これが磁場閉じ込め。
Hamaji Yukinori @yukinori_h
磁場閉じ込め核融合_02 磁場閉じ込めの粒子の密度はすごく低い(大気圧のガスの数千分の一くらいだったっけ?)。容器が割れれば空気が吸い込まれます。工学的には真空です。燃料ガスは随時導入します。このへんも何年分かの核燃料を一気に入れる分裂炉との大きな違いです。
Hamaji Yukinori @yukinori_h
磁場閉じ込め核融合_03 トカマク型: 閉じ込めのために磁力線をドーナツ状に閉じるようにしたタイプ。構造が簡単で装置も多い。日本に今あるデカイのはJT-60SA(JT-60Uから改造中)とかQUESTとか。フランスに建設中のITERもこのタイプ。絵はググってください。
Hamaji Yukinori @yukinori_h
磁場閉じ込め核融合_04 ヘリカル型: トカマクの親戚で、よじったコイルで閉じ込める。トカマク型では良い閉じ込めのために必要なよじる方向の磁場をプラズマ自身の流れ(プラズマ電流)で形成しているのに対して、ヘリカルではコイルをよじってよじれた磁場を作る。絵はぐぐってください。
Hamaji Yukinori @yukinori_h
磁場閉じ込め核融合_05 ヘリカル型補足: よじるための方向の磁場を作るのにプラズマ電流が不要。もちろん制御も不要。なため定常(つけっぱなし)が簡単。制御失敗によるプラズマ崩壊(ディスラプション)もない。かっこ良いけど複雑で、ノウハウも少ない。核融合研のLHDといえばこれ。
Hamaji Yukinori @yukinori_h
カテゴリ分けについての訂正2つ追加。専門の人のコメントがあったら最終版の訂正をします。
Hamaji Yukinori @yukinori_h
色々調べていると「ステラレータの中にヘリオトロン(LHD)、へリアス(W7-X)ヘリアックなど」のパターンと「ヘリカルの中にヘリオトロン(LHD)とステラレータ(ヘリアックもへリアスも?)」のパターンがあった。どっちにしても、ヘリカルとステラレータが同列は間違いらしい。
Hamaji Yukinori @yukinori_h
パターン分け。LHDはヘリカル方式中のヘリオトロン磁場型でW7-Xはヘリカル方式の中のステラレータ型(orヘリアス磁場型)。もう一つのパターンでは、LHDはステラレータ方式の中のヘリオトロン磁場型。W7-Xはステラレータ方式の中のへリアス磁場型。って感じ?
Hamaji Yukinori @yukinori_h
磁場閉じ込め核融合_06 ステラレータ型: ヘリカルの親戚、詳細は知りません。コイルがこれまたかっこ良いのでググってください。Wendelstein 7-Xが現在ドイツで建設中。利点は大雑把にはヘリカルと似ているはず。
Hamaji Yukinori @yukinori_h
磁場閉じ込め核融合_07 ミラー型: ミラー配位という磁場配位で閉じ込める。原理的に粒子が逃げる方向が存在するため、現状ミラー方式での核融合炉案はない。プラズマ物理研究に利用。筑波のGAMMA-10がタンデムミラーで稼働中で有名。
Hamaji Yukinori @yukinori_h
磁場閉じ込め核融合_08 FRC型: 磁場反転配位。東大とか?でやってる。詳細も概要も知らない。筒の中にドーナツ状の磁場(でもドーナツの回転方向にはない)を作るイメージ。基礎研究中。D3He反応に応用出来る可能性があるそうな。(ARTEMIS)
Hamaji Yukinori @yukinori_h
慣性核融合_01 レーザー核融合: 四方八方からのレーザー照射で燃料球の表面がプラズマ化、その反作用で加速、圧縮された(爆縮)燃料球の中でイオン同士が衝突、核融合をする。アメリカのNIF、フランスのLMJ、日本の激光が有名。
Hamaji Yukinori @yukinori_h
慣性核融合_02 レーザー核融合では閉じ込めらしいことはせず、爆縮の勢いで集まって、また反作用ではじけ飛ぶまでの短い時間で反応が起きる。爆縮の際の密度は個体の数百倍だとか。宇宙物理や凝縮物理、プラズマ物理などの応用研究も多い。NIFでは水爆の保守に関わる研究も。
Hamaji Yukinori @yukinori_h
慣性核融合_04 fusor: アメリカの高校生が核融合炉を作った!とかいうのはこのタイプで、真空にして薄くガスを詰めた真空容器に外側電極と中心電極を置いて、その間に高電圧をかけて電圧に引っ張られて加速したイオン同士が衝突して、時々融合する。絵を見るとわかりやすい。
Hamaji Yukinori @yukinori_h
慣性核融合_05 fusorは核融合の発生確率がすごく低いので発電はできないが、安価で小規模な中性子源として使われたりする。アメリカの高校生(Tayler Wilson)はこれを医療用放射性物質の生成のための中性子源として使ったそうな。そりゃ有名にもなるわ。すごい。

ここではfusorは慣性核融合のくくりで紹介していますが、静電場を使うために「静電閉じ込め」とも呼びます。(@h_tsutsui さんより)

Hamaji Yukinori @yukinori_h
進捗度_01 方式別で見ると進捗度では実験炉が建設中のトカマクが単独トップ。でも、プラズマ物理や核融合による中性子の受け止め→熱取り出し→発電部分の仕組みは共通部分が多いので、僕のイメージではトカマクを代表として他方式も含めた総力戦をやってるイメージ。
Hamaji Yukinori @yukinori_h
進捗度_02 レーザー核融合も中性子からの熱取り出しは磁場閉じ込めと共有。だけど、レーザーの高出力、高効率、高繰り返し化の実現が必要なこと、燃料球の投げ込み、レーザー照射窓の保護などの特有の問題あり。ただし、最終的な構造は磁場よりも数段単純になる予定なのでコストなどで有利か?
Hamaji Yukinori @yukinori_h
核融合 ITER: 南フランスに建設中の磁場閉じ込めの実験炉(実験炉→原型炉→実証炉→商用炉)EU・ロシア・日本・アメリカ・中国・韓国・インドの世界七極で建設中。主要目標は、入力エネルギーの10倍の熱出力(not電力)と、各コンポーネントの工学実証など。
Hamaji Yukinori @yukinori_h
核融合 燃料が海水から? 燃料になる重水素は水の中に0.015%あるので取り出せば即燃料に。トリチウムは海水中のリチウムに核融合反応で出た中性子を当てて核反応で作る。ので燃料は海水から、という話。でもリチウムの取り出しコストはまだ高いんだとか。
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コメント

TSUTSUI Hiroaki @h_tsutsui 2013年2月12日
fusorは慣性静電閉じ込め方式で、名前に「慣性」が含まれていますがレーザー爆縮とは全く原理が異なるので、短く略すのであれば「静電閉じ込め」が良いと思います。
夢乃 @iamdreamers 2013年2月12日
ネット検索すれば出るような情報だけですが、D-D、D-T、D-3He反応について【http://togetter.com/li/452860/重水素核融合実験で起きる反応と発生する物質】で図示してます。ご参考(・・・に、あんまりならないかもしれないけど)まで。
A.C.✨NCC1710hh2 @AerospaceCadet 2013年2月12日
ヘリカルとステラレータの分類がちょっと違ってます最初にコイルが単純トーラス型のステラレータが発明され、その後にヘリカルコイルのヘリカル型、更にその改良として日本でヘリオトロンが発明されたと言う順になります。
A.C.✨NCC1710hh2 @AerospaceCadet 2013年2月12日
ヘリカル型もヘリオトロンもヘリカルコイルの作成が難しい点が装置の大型化の問題点としてあったのですが独のWendelstein 7-Xはヘリカルコイルをモジュール構成で分割してある意欲的な装置なんですね。
TSUTSUI Hiroaki @h_tsutsui 2013年2月12日
ヘリカル型の種類として、ステラレーターやヘリオトロンがあります。詳しくは、http://www.rist.or.jp/atomica/data/pict/07/07050108/02.gif を参照ください。モジュラーコイルは別の話です。
Hamaji Yukinori @yukinori_h 2013年2月12日
トカマクじゃない方式のカテゴリ分けについて調べたんですが、最初の表現が間違いであったのはわかったものの色々混乱してきたので一旦このまま出します。専門の人のコメントが貰えると良いなぁ。
Hamaji Yukinori @yukinori_h 2013年2月12日
h_tsutsui この図のヘリオトロンとトルサトロンの区別はトロイダルコイルですけど、LHDにはないですよね?でもLHDはヘリオトロン。それにW7-Xなどでは磁場こそヘリカルですがヘリカルコイルはありませんよね?よくわからなくなってきました。
Hamaji Yukinori @yukinori_h 2013年2月12日
まとめを更新しました。方式のカテゴリ分けについての指摘を反映。
TSUTSUI Hiroaki @h_tsutsui 2013年3月6日
yukinori_h ヘリカル装置の特徴はコイルだけで年輪のような磁場構造を作ることで、モジュラーコイルもその性質を持っています。ステラレーターはその性質を解析的に示すことができますが、モジュラーコイルの軌道は磁場構造から(コンピューターで)逆算して求めます。
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