ZOOMで東京大学の核融合の公開講座に参加させて頂きました。
前回のカーボンナノチューブを使っての核融合が可能かどうか
より理解を深めるために受講しました。
こちらの先生の動画がよくわかります。
(私が受けたのもほぼ同じ講義でした)
様々な新しい知識を得ることができたため、核融合発電の方式を
発案させて頂きます。
現在、小型核融合炉の研究が盛んに行われて、
その中で、球状トカマクという核融合炉があるそうです。
核融合と高温プラズマは密接な関係があります。
磁場閉じ込め核融合は、
高温(1億度以上)のプラズマを生成し、高速で高頻度でぶつけます。
そのようにして核融合反応を起こします。
その際、通常であれば高温であるため炉の外壁が溶解してしまいます。
それを防ぐため、強力な磁場でプラズマを閉じ込めます。
(高温プラズマが外壁に当たらないように)
プラズマ粒子(イオン・電子)は磁力線に巻き付きます。(ラーマ運動)
磁力線をドーナツのように輪にしてやれば、
プラズマ粒子は外壁に触れることなくグルグル回ります。
(そのようにして閉じ込めます)
しかし、プラズマ粒子は、
ただのドーナツ状の磁力線を素直にグルグルまわるようなことはなく、
軌道が外れていきます。(環の磁力線の内側と外側で磁場が違うためだそうです)
磁力線をらせん状にひねりを加えるとプラズマ粒子が回るようになり、
閉じ込めることが出来ます。(トカマク型・ヘリカル型装置)
トカマク配位
まず磁力線を環にします。(トロイダル磁場)
ひねりを加えるために、磁力線に沿うような感じでプラズマ電流を流します。
電流は磁場に影響を与えますので、磁力線をひねることができます。
そのとき、プラズマ電流を流す際に、
核融合炉の中心に中心ソレノイドというものを設置します。
(コイルみたいなもので、その磁束を変化させて電場を作ります)
これで磁力線の環に、寄り添うような形で
プラズマ電流が流れます。
球状トカマクなのですが、球状なのですが、中心に中心ソレノイドという
コイルのようなものがあります。
さらにプラズマ電流を閉じ込めるために、
ポロイダル磁場によるローレンツ力で炉の内側の方向に力をかけます。
(ローレンツ力とは、高校の物理で習いましたが、
2本の電線が同方向に電流が流れていた場合、
2本の電線がくっつくように力が働きます。)
新しい核融合炉のアイデア
核融合炉自体を球体の燃料カプセルとします。
使い捨ての球体の核融合炉になります。
その燃料カプセル(炉)はかなり小型のものになると思います。
燃料カプセルなので溶解することも想定しておきます。
その中に燃料(重水素・三重水素)を注入しておきます。
その球体の燃料カプセルの周りにはコイルを巻きます。
燃料カプセルの燃料を高周波、中性子加熱などで温度をあげます。
(1億度)
コイルの巻き方には、いくつかの方法があると思います。
・トカマク方式のように、上から下に縦に電線を巻く
電流に対して垂直の方向に、磁界が発生しますので、燃料カプセルの中には
磁力線の環が1周できます。それが上から下まで出来ます。
・コイルを1周させる。それを上から下まで並べる
コイルは磁石のような磁力線ができますが、そのコイルを環にすれば、
先のほどのように磁力線 が1周します。
磁力線が環になっていますので、
磁場閉じ込め核融合炉のように、球状核融合炉の中で、
高温プラズマ粒子を閉じ込めることができます。
通常の球状トカマクの場合は、電流プラズマを流し、磁力線をひねります。
そうしないと高温プラズマが軌道を外れていき、
外壁に衝突するためです。
しかし私のアイデアでは、磁力線はひねりません。
なぜなら、使い捨ての燃料カプセルですので、
あらかじめ溶解することを想定しているためです。
ただ高温プラズマは1億度以上もあるため、
高温プラズマを閉じ込めることで、
燃料カプセル(炉)の溶解速度を遅くする必要があります。
燃料カプセルの周りにコイルを巻くのは、燃料カプセルの内側に、
環の磁力線を作り出し、プラズマを回し、
カプセルの外壁に当たる高温プラズマを減らすためです。
しかし、通常のトカマク型などの磁場閉じ込め核融合炉のように
完全にプラズマを閉じ込める必要はないと思います。
(使い捨てなので)
トカマク方式でも使われているように、
ローレンツ力でもプラズマ粒子を内側に向けます。
(ローレンツ力では、正の電荷と負の電荷で、力の向きが変わります。
イオンに内側の力を付与するか、電子に内側の力を付与するかはよくわかりません。)
上記の方式ですと、上部と下部に磁場の穴ができます。
そこで、上部と下部にもローレンツ力を用いて、
高温プラズマに内向きの力をかけます。
電子と陽イオンのどちらかを外壁に当たらないようにするだけでも、
外壁の損傷は軽減できるような気がします。
通常の磁場閉じ込め核融合炉と異なり、炉自体がある程度、
溶解することを認めている点が
新しいアイデアであるといえます。
燃料カプセルの材質は、様々なものが考えられると思います。
燃料カプセル(炉)の材質ですが、
このように書かれています。
http://www.aesj.or.jp/~fusion/aesjfnt/jp/publications/rensai1/rensai05.pdf
(参照: よくわかる核融合炉のしくみ 第５回プラズマに面する耐熱機器 燃焼プラズマに熱負荷に耐える壁 著者:日本原子力研究所 鈴木哲 大阪大学 上田良夫)
上記(リンク先)の説明では、炉の壁は、溶けて燃料に混入しても
核融合反応に、影響の少ない低原子番号素材が
良いとあります。(炭素材など)
しかし、炭素材は損傷速度が早いそうです。(数年の運転期間には向いていない)
私のアイデアの核融合炉では、
炉である燃料カプセルは使い捨てなので、
損傷は考えなくても良さそうです。
さらに溶けても核融合反応に影響が少なそうです。
その点を踏まえて、カーボンナノチューブ素材を使うことを提唱します。
カーボンナノチューブ特性：
融点が比較的高い。
炭素である。
さらにコイルに使えそうな、
カーボンナノチューブ電線は、最大電流が銅線の100~1000倍です。
(電流の大きさによってコイルの磁力が決まるので、
かなりの磁力をだせる可能性があります)
超電導素材としてみたカーボンナノチューブですが、
フラーレン超伝導体が立方晶物質で最も磁場に対して頑丈（約90テスラ）
だそうです。
Nb3Snに比べて３倍の磁場まで超伝導が維持される、とも書いてあります。
参照：
分子からなる超伝導体が従来超伝導線材を凌駕する臨界磁場90テスラを達成 | AIMR
