Ｚピンチ慣性核融合 Z-pinch Driven Inertial Confinement Fusion

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

ＮＩＦNational Ignition Facility http://www.llnl.gov/

ＮＩＦNational Ignition Facility • 波長 0.35 μm • ビームライン 192 本 • 出力エネルギー 1.8 MJ • 出力パワー 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　　３×１０５ｍ/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

Ｚａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ 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. 11th 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. 11th 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 R=10-2m 到達半径 a=10-3m プラズマ長 l=10-2m 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=3×10-4kg 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/

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