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Ｚピンチ慣性核融合
Z-pinch Driven Inertial Confinement Fusion 高杉 恵一 量子科学フロンティア ２００２年１０月２４日
核融合反応
関口忠 ： 現代プラズマ理工学
Cockcroft-Walton の実験
• 1932 年、倍圧整流回路を用いた静電加速 器を用いて、人工的に原子核衝突の実験 を行なった
地上の熱核融合反応
Teller-Ulam 型水素爆弾の 構成図 http://www.geocities.com/dktesla/atomic/atomic.html
核弾頭の構造 Howard Morland : The Holocaust Bomb: A Question of Time
慣性核融合の概念
• 短時間に高温高密度状態を形成し、膨張・ 拡散しないうちに核融合反応に点火する • 高密度物質によって 放射の閉じ込め を行 ない、高温ホーラム内でターゲットの爆縮 を行なう
ＮＩＦ
National Ignition Facility http://www.llnl.gov/
ＮＩＦ
National Ignition Facility • • • • 波長 ビームライン 出力エネルギー 出力パワー 0.35 μm 192 本 1.8 MJ 500 TW
ペレットの爆縮 http://www.llnl.gov/
Rayleigh-Taylor 不安定性 http://www.llnl.gov/
ターゲット・カプセルの構造 http://www.llnl.gov/
レーザー慣性核融合
• レーザー照射によってホーラム温度 ２２５ｅＶ を達成する • • アブレーションによって爆縮速度 ３×１０ ５ ｍ / ｓ を得る ターゲットを初期半径の １ / ３０ に圧縮 する • 中心温度 １０ｋｅＶ を達成し核融合反 応に点火する
Ｚ ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ
3 MV 、 20 MA 、 11.4 MJ http://www.sandia.gov/
Ｚ装置におけるエネルギー圧縮 Don Cook : Proc. 11 th IEEE Int. Pulsed Power Conf.
Ｚピンチターゲット http://www.sandia.gov/
Ｚピンチホーラム Static-walled Hohlraum Dynamic Hohlraum R.J. Leeper et.al. : Nuclear Fusion
39
, 1283 (1999)
ホーラムからのＸ線放射 R.J. Leeper et.al. : Nuclear Fusion
39
, 1283 (1999)
Ｘ線放射のスケーリング Don Cook : Proc. 11 th IEEE Int. Pulsed Power Conf.
Ｚピンチ方式慣性核融合
• Ｚピンチからの放射によってホーラム 温度 ２２５ｅＶ を達成する • 放射パワーを効率よくターゲットに 伝達する
Ｚピンチへのエネルギー入力 プラズマの半径方向の運動方程式は プラズマに入る運動エネルギーは 電流２乗のスケーリングが得られる
初期半径 到達半径 プラズマ長 R=10 -2 m a=10 -3 m l=10 -2 m 電流 I=60 MA のときプラズマに入るエネ ルギーは ターゲットが m=3 × 10 -4 kg のタングステ ンの場合、原子１個あたりに入るエネル ギーは 100 keV になる
いろいろな原子の電離エネルギー
100 keV のエネルギーの分配 • Ｎｉ（ Z=28 ）の場合、完全に電離して温 度は １．５ｋｅＶ になる • Ｍｏ（ Z=42 ）の場合、４０荷にまで電離 して温度は ６５０ｅＶ になる • Ｗ（ Z=74 ）の場合、５１荷にまで電離 して温度は ２３０ｅＶ になる
ダイナミック・ホーラム 収縮する第１のライナーの質量をｍ、速 度をｖ、第２のライナーの質量をＭとする ２つのライナーは衝突後合体して速度Ｖ で運動する
この衝突は非弾性衝突であり、エネル ギーの放出を伴う 放出されるエネルギーは これはＭが大きなほど放出エネルギーは 大きくなるが、質量あたりのエネルギー が最大になるのはｍ＝Ｍのときである
まとめ • ６０ＭＡのＺピンチによるホーラム温 度２３０ｅＶの達成 • ダイナミック・ホーラムによる運動エ ネルギーの効率のよい熱化
Ｚピンチ核融合炉の模型 http://www.sandia.gov/