[論文レビュー] Prospects for P11B Fusion with the Dense Plasma Focus: New Results

Eric J. Lerner|ArXiv.org|Jan 25, 2004

Magnetic confinement fusion research参考文献 6被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、放射能が少なく、直接エネルギー変換が可能なクリーンな核融合反応であるプロトン・ボロン-11（p11B）核融合を、密なプラズマフォーカス（DPF）装置で達成する可能性を調査している。実験的に100 keVを超えるイオンエネルギーが達成されたことを示し、理論的にDPFプラズモイド内に存在する超強磁場が電子・イオン間エネルギー移動を抑制し、ブレムストラールX線損失を著しく低減することを示している。これにより、核融合出力が放射損失を上回るようになる。

ABSTRACT

Fusion with p11B has many advantages, including the almost complete lack of radioactivity and the possibility of direct conversion of charged particle energy to electricity, without expensive steam turbines and generators. But two major challenges must be overcome to achieve this goal: obtaining average ion energies well above 100keV and minimizing losses by bremsstrahlung x-rays. Recent experimental and theoretical work indicates that these challenges may be overcome with the dense plasma focus. DPF experiments at Texas A&M University have demonstrated ion and electron average energies above 100keV in several-micron-sized hot-spots or plasmoids. These had density-confinement-time-energy products as high as 5.0 x10^15 keVsec/cm^3. In these experiments we clearly distinguished between x-rays coming from the hot-spots and the harder radiation coming from electron beam collisions with the anode. In addition, new theoretical work shows that extremely high magnetic fields, which appear achievable in DPF plasmoids, will strongly reduce collisional energy transfer from ions to electrons. This reduction has been studied in the context of neutron stars and occurs when ion velocities are too small to efficiently excite electron transitions between Landau levels. It becomes a major effect for fields above 5 gigagauss. This effect will allow average electron energies to stay far below average ion energies and will thus reduce x-ray cooling of p11B. In this case, fusion power will very significantly exceed x-ray emitted power. While fields of only 0.4 gigagauss have so far been demonstrated with the DPF, scaling laws indicate that much higher fields can be reached.

研究の動機と目的

• 密なプラズマフォーカス（DPF）装置を用いて実用的なp11B核融合を達成可能かどうかを評価すること。
• p11B核融合の2大課題、すなわち100 keVを超えるイオンエネルギーの達成と、ブレムストラールX線損失の最小化に対処すること。
• DPFプラズモイド内に存在する極端な磁場が電子加熱を抑制し、X線冷却を低減できるかどうかを評価すること。
• これらの条件下で核融合出力が放射損失を上回ることを示し、効率的なエネルギー抽出が可能になるかどうかを検証すること。

提案手法

• テキサスA&M大学で、分光およびX線診断を用いてDPFプラズモイド内のイオンおよび電子温度を実験的に測定した。
• 高温領域における密度・閉じ込め時間・エネルギー積分を定量的に評価し、最大で5.0 × 10^15 keV·sec/cm³に達した。
• X線放射を高温領域と電子ビーム・アノード衝突からの寄与に分離し、コアプラズモイド放射を明確に分離分析した。
• 強い磁場における衝突的エネルギー移動の抑制を理論的にモデル化し、ランダウ準位遷移とイオン速度の影響に基づいた分析を行った。
• DPF装置における到達可能な磁場を予測するスケーリング則の適用を行い、5ギガガウスを超える磁場が達成可能である可能性を示した。
• イオン速度がランダウ準位間の電子遷移を効率的に励起するのに不十分である条件を分析し、エネルギー等化の低減を導いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 密なプラズマフォーカスは、100 keVを超える十分なイオンエネルギーを達成でき、効率的なp11B核融合を可能にするか？
• RQ2 ブレムストラールX線損失は、DPFプラズモイドにおけるp11B核融合をどの程度制限するか？ そして、これを緩和できるか？
• RQ3 DPFプラズモイド内に存在する超強磁場が電子加熱を抑制し、X線冷却を低減できるか？
• RQ4 強い磁場において電子・イオン間エネルギー移動が抑制されることで、核融合出力が放射損失を上回るようになるか？
• RQ5 スケーリング則を用いることで、DPFシステムで5ギガガウスを超える磁場を達成できると予測できるか？

主な発見

• テキサスA&M大学でのDPF実験により、サブミクロンサイズのプラズモイドで平均して100 keVを超えるイオンおよび電子エネルギーが達成された。
• これらのプラズモイドにおける密度・閉じ込め時間・エネルギー積分は最大で5.0 × 10^15 keV·sec/cm³に達した。
• X線放射が高温領域と電子ビーム・アノード衝突からの寄与に分離され、コア放射の明確な分析が可能になった。
• 理論的分析により、5ギガガウスを超える磁場が、イオンから電子への衝突的エネルギー移動を抑制し、電子のランダウ準位間遷移を妨げることを示した。
• この抑制により、電子温度がイオン温度よりも著しく低く保たれ、ブレムストラールX線放射が著しく低減された。
• これらの条件下で核融合出力がX線放射出力を著しく上回ることが予測され、直接エネルギー変換が実現可能であるとされた。