核融合炉の心臓部！中性粒子入射加熱とは？

核融合炉の心臓部！中性粒子入射加熱とは？

核融合の実現に必要な熱

– 核融合の実現に必要な熱核融合は、太陽が莫大なエネルギーを生み出す源であり、地球でもエネルギー問題を解決する切り札として期待されています。核融合を起こすためには、まず燃料となる重水素や三重水素を極めて高温の状態にする必要があります。具体的には、１億度を超える熱を加えることで、原子が持つ電子と原子核がバラバラになったプラズマと呼ばれる状態を作り出す必要があります。プラズマ状態では、原子核同士が反発しあう力を超えて衝突し、核融合反応が起こります。しかし、原子核同士が融合するためには、互いの反発力に打ち勝つための莫大なエネルギーが必要となります。そのため、核融合反応を持続的に起こすためには、プラズマ状態を維持するだけでなく、外部から更なる熱を加え続ける必要があります。この熱を加える役割を担うのが加熱装置です。加熱装置には、強力な電波やレーザー光線などを用いる方法が開発されています。これらの装置によって、プラズマは常に高温に保たれ、核融合反応が継続的に起こることが期待されています。しかし、現状では、プラズマを加熱するために必要なエネルギーと、核融合反応によって得られるエネルギーが釣り合っていません。そのため、より効率的にプラズマを加熱できる技術の開発が、核融合の実現に向けて重要な課題となっています。

加熱装置の一つ、中性粒子入射加熱

核融合反応を起こすためには、燃料であるプラズマを非常に高い温度まで加熱する必要があります。その加熱方法の一つとして、中性粒子入射加熱（NBI）と呼ばれる方法があります。

NBIは、高エネルギーの中性粒子ビームをプラズマに入射することで、プラズマを加熱する方法です。中性粒子とは、電荷を持たない粒子のことを指します。まず、イオン源でイオンを生成し、それを加速器で加速します。加速されたイオンビームは、中性化装置を通過する際に電子を捕捉し、中性粒子ビームに変換されます。こうして生成された高エネルギーの中性粒子ビームは、磁場の影響を受けずにプラズマの中心部まで到達することができます。そして、プラズマ中のイオンや電子と衝突を繰り返すことで、そのエネルギーをプラズマに与え、加熱していくのです。

NBIは、他の加熱方法と比べて、プラズマの温度を効率的に上昇させることができるという利点があります。また、プラズマ中に直接運動量を与えることができるため、プラズマの回転を制御したり、不安定性を抑制したりすることも可能です。そのため、NBIは多くの核融合実験装置において主要な加熱装置として採用されています。

中性粒子ビームの作り方

– 中性粒子ビームの作り方中性粒子ビーム(NBI)は、核融合反応を起こすために必要な高温・高密度のプラズマを生成・加熱する上で、重要な役割を担っています。 NBIの心臓部は、イオン源と呼ばれる装置です。ここでは、まず燃料となる重水素や三重水素から、電気を帯びた粒子、つまりイオンを作り出します。イオンはプラスやマイナスの電気を帯びているため、電場や磁場の影響を受けて、その進路を自由自在に操ることができます。イオン源で生成されたイオンは、次に加速器へと送られます。加速器は、その名の通りイオンを高速に加速する装置です。イオンは電場によって加速され、最終的には非常に高いエネルギーを持つようになります。こうして高いエネルギーを得たイオンは、今度は中性化セルと呼ばれる装置に入ります。中性化セルは、イオンビームの通り道に中性ガスを満たした装置です。高速のイオンビームがこの中性ガスの中を通過すると、イオンはガスと衝突し、ガスから電子を受け取ります。 この結果、プラスの電気を帯びたイオンは、マイナスの電気を帯びた電子と結びつき、電気を帯びていない状態、つまり中性粒子へと変化します。こうして生成された中性粒子ビームは、磁場の影響を受けずにプラズマの奥深くまで届き、プラズマを加熱することができます。

プラズマへの入射と加熱

核融合反応を起こすためには、燃料である原子核同士が電気的な反発力に打ち勝って近づく必要があります。そのためには、原子核が非常に高速で動き回る、高温のプラズマ状態を作り出すことが不可欠です。プラズマを加熱する方法はいくつかありますが、その中でも有効な手段の一つが「中性粒子ビーム入射加熱」です。

まず、イオン化した原子に電子を付着させて中性粒子を作ります。中性粒子は電荷を持たないため、プラズマを閉じ込めるために使われている磁場の影響を受けずに、プラズマの中心部まで直進することができます。そして、プラズマの中心部へ到達した中性粒子は、プラズマ中のイオンや電子と衝突を繰り返します。この衝突によって、中性粒子が持っていた運動エネルギーがプラズマ中の粒子に受け渡され、プラズマ全体の温度が上昇するのです。

このようにして、中性粒子ビーム入射加熱は、プラズマを高温に加熱し、核融合反応の発生を促すための重要な役割を担っています。

中性粒子入射加熱の特徴

– 中性粒子入射加熱の特徴
中性粒子入射加熱(NBI)は、核融合反応を起こすために必要な超高温プラズマを実現するための加熱方法の一つです。NBIは、他の加熱方法と比較して、高いエネルギー効率と優れた加熱能力を兼ね備えている点が最大の特徴です。
この加熱方法は、まずイオン化した粒子を加速し、その後中性化してプラズマ中に打ち込みます。中性化された粒子は磁場に影響されずにプラズマの中心部まで到達することができ、そこでプラズマ粒子と衝突を繰り返すことで効率的にエネルギーを伝達します。そのため、プラズマ全体を均一に効率よく加熱することが可能となります。
さらにNBIは、プラズマを加熱するだけでなく、プラズマ中の電流を駆動する効果も期待されています。電流駆動はプラズマの閉じ込め性能を向上させるため、安定した核融合反応を持続させるために重要な要素となります。
これらの特徴からNBIは、将来の核融合炉において中心的な役割を担う加熱方法として期待されており、研究開発が積極的に進められています。