[論文レビュー] Fusion in a magnetically-shielded-grid inertial electrostatic confinement device

J. N. Hedditch, Richard Bowden-Reid+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2015

Fusion and Plasma Physics Studies参考文献 25被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、電流を流すリングから発生する反対方向の磁場を用いてカソードグリッドをイオン衝突から遮断する磁気的シールド付きグリッドを備えたインパルス電界静的閉じ込め（IEC）核融合装置を提案する。この装置により、ベンチトップスケールの重水素-重水素系でエネルギー収支がプラス（Q > 1）となることが可能となる。電界閉じこめと磁場キャップのハイブリッド的閉じこめにより、低密度下でもQ > 1を達成し、従来のIECグリッド損失および磁場キャップ損失を克服する。

ABSTRACT

Theory for a gridded inertial electrostatic confinement (IEC) fusion system is presented that shows a net energy gain is possible if the grid is magnetically shielded from ion impact. A simplified grid geometry is studied, consisting of two negatively-biased coaxial current-carrying rings, oriented such that their opposing magnetic fields produce a spindle cusp. Our analysis indicates that better than break-even performance is possible even in a deuterium-deuterium system at bench-top scales. The proposed device has the unusual property that it can avoid both the cusp losses of traditional magnetic fusion systems and the grid losses of traditional IEC configurations.

研究の動機と目的

• 従来のグリッド付きインパルス電界静的閉じ込め（IEC）核融合装置におけるグリッド損失という根本的制限を克服すること。
• 同軸リングに逆向きの電流を流して生成される磁場キャップ構成を用いて、カソードグリッドへのイオン衝突を排除すること。
• 電界閉じこめと磁場閉じこめを併用することで、低密度、ベンチトップスケールのIEC系において、理論的にエネルギー収支がプラス（Q > 1）となる可能性を示すこと。
• レア燃料や極端な条件に依存せずに核融合エネルギー利得を達成する可能性を検討すること。

提案手法

• 2つの同軸で負にバイアスされた電流を流すリングを用いて、反対方向の磁場を生成し、中心に磁場ノードを持つスパindleキャップを形成する。
• 磁場キャップ内に捕らえられた電子が仮想カソードを形成し、イオンの閉じ込めと加熱を可能にする深い電界ポテンシャル井戸を生成する。
• 非マクスウェル的、非中性プラズマを記述するため、簡略化されたVlasov-PoissonモデルにLandau散乱積分を組み込む。
• 定常状態を仮定し、固定点反復法を用いて電界ポテンシャルおよび密度分布を数値的に解く。
• 核融合からのエネルギー利得と、ブレムストラール放出、キャップを通じた粒子漏れ、種間エネルギー移動による損失を統合し、ネットQを計算する。
• 低ベータ、低密度条件（mTorr範囲）下でシステムを分析し、中性種が無視できるほど完全にイオン化されたプラズマを仮定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁気的シールド付きグリッドIEC装置は、ベンチトップスケールの重水素-重水素反応において、エネルギー収支がプラス（Q > 1）となるか？
• RQ2 グリッドの磁気的シールドは、従来のIECシステムと比較して、イオン損失をどのように低減し、エネルギー閉じ込めを向上させるか？
• RQ3 磁場キャップ内での電子捕らえが、イオンの再循環を可能にする安定的で深いポテンシャル井戸を形成する役割を果たす仕組みは何か？
• RQ4 電界と磁場の両方のポテンシャルが、同時にキャップ損失とグリッド損失をどのように緩和するか？
• RQ5 このハイブリッド閉じこめ方式において、Q > 1を達成するパラメータ領域（電圧、電流、密度）はどのようなものか？

主な発見

• 提案された磁気的シールド付きグリッドIEC装置は、mTorrオーダーの低密度下でも、重水素-重水素系でエネルギー収支がプラス（Q > 1）を達成することが可能である。
• 低密度下での重水素燃焼系において、約10の利得が予測され、実用的な核融合エネルギー出力の可能性を示唆している。
• 磁場キャップ構成によりグリッドがイオン衝突から保護され、従来のIEC装置で支配的だったエネルギー損失機構が排除される。
• 磁場ノード領域における電子閉じ込めにより、安定的で深い仮想カソードポテンシャル井戸が形成され、イオンの再循環と核融合率の向上が可能になる。
• システムはジェット状のイオン密度構造と三重リング型の核融合率密度を示し、局所的で高パワーの核融合領域が存在することを示している。
• モデルは、出力がMWレベルにスケーリング可能であると予測しており、物理的制約ではなく、熱的および機械的材料制約が主な限界要因であると示している。