Magnetic Fusion Energy
核融合反応
| Ｄ ＋ Ｔ | → | 4Ｈｅ (3.52 MeV) ＋ ｎ (14.06 MeV) | |
| Ｄ ＋ Ｄ | → | Ｔ (1.01 MeV) ＋ Ｈ (3.03 MeV) | |
| 3Ｈｅ (0.82 MeV) ＋ ｎ (2.45 MeV) | |||
| Ｄ ＋ 3Ｈｅ | → | 4Ｈｅ (3.67 MeV) ＋ Ｈ (14.67 MeV) |
炉心プラズマの温度を2億度（20 keV）とすると、反応速度係数は〈σｖ〉 = 4.3×10-22 [m3/s] となります。
定常核融合炉
ＤＴ核融合反応の発生はＤの密度をｎD、Ｔの密度をｎTとすると、単位時間当たりｎDｎT〈σｖ〉です。これに反応で発生するエネルギーとプラズマの体積をかけたものが核融合出力となります。 密度をｎD = ｎT = 1020 [m-3] とすると、100万kWの出力を得るために必要なプラズマの体積は80 m3になります。このプラズマの圧力は13 気圧、熱エネルギーは100 MJにもなります。これは時速80 kmで走る400トンの列車の運動エネルギーに匹敵します。 このプラズマのエネルギーを維持するためには、絶えずエネルギーを加えてプラズマを加熱する必要があります。熱エネルギーＷTと加熱電力Ｐinとの比を閉じ込め時間τといい、核融合装置の効率の良さを表します。閉じ込め時間はプラズマが点灯している時間ではありません。
τ = ＷT/Ｐin
核融合出力Ｐoutと加熱電力Ｐinとの比をＱ値といいます。
Ｑ = Ｐout/Ｐin
Ｑ = 10 とするとτ = １ 秒が要求されることになります。現在このような性能を持つ装置はトカマクしかありません。
技術的課題
温度2億度、ＤとＴを合わせた密度2×1020/m3、閉じ込め時間1秒をすべて同時に満足することは、それほど困難ではないと考えられます。また、トカマクではプラズマ中に電流を流し続ける必要がありますが、この問題はほぼ解決されています。 核融合出力の80 %、すなわち80万kWは中性子ｎとして放出されます。このエネルギーはリチウムブランケットを用いて回収されます。残りの20 %は4Ｈｅ（α粒子）として放出されます。この粒子が炉心に残ってプラズマを加熱することはあまり期待できず、加熱電力とあわせた30万kWがダイバータとよばれる粒子回収装置に行くことになります。ダイバータは不純物除去のための補助的な手段ではなく、核融合出力を回収するという重要な手段を担うことになります。強烈な熱負荷に耐えるダイバータの開発が最大の課題となっています。 プラズマ中に発生する巨視的な不安定性によってプラズマ全体が崩壊する現象をディスラプションといいます。ディスラプションが起こると、100 MJもの熱エネルギーが一瞬にして放出されることになります。ディスラプションは起こらないようにすることが最善の策ですが、万が一起こった場合にも第一壁に損傷を与えないように制御し、そのエネルギーを分散吸収するしくみが重要です。
