フィロ・ファーンズワース フューザー

フィロ・ファーンズワース フューザー：核融合技術の新たな可能性

フィロ・ファーンズワース・フューザー、あるいは単にフューザーと呼ばれるこの装置は、テレビ技術の先駆者としても知られるフィロ・ファーンズワースによって発明されました。従来の核融合装置とは異なり、強力な磁場を用いてプラズマを閉じ込めるのではなく、静電場を用いてプラズマを生成・閉じ込める慣性静電場閉じ込め(IEC)方式を採用している点が最大の特徴です。

歴史

発明

1930年代初頭、ファーンズワースはテレビ用真空管の研究中に、「マルチパクター効果」と呼ばれる現象を発見しました。これは、高周波磁界によって電極間を移動する電子の流れが阻害される現象で、この現象を利用することで真空管の増幅率を向上させることに成功しました。この研究過程で、マルチパクター効果が核融合反応に必要な高温高密度プラズマの生成・維持に利用できる可能性に着目し、フューザーの概念を考案しました。

初期設計

初期のフューザーは、円柱状に配置された電極を用いていました。正電荷に帯電した電極に、イオン化された燃料を加速器から打ち込み、電極間の静電圧によってプラズマを中央部に閉じ込める仕組みです。この方式は、ファーンズワースが提唱した慣性静電場閉じ込め方式の原型となっています。1960年代には、球状の反応部を持つフューザーも開発されましたが、燃料供給のスケーラビリティが課題となり、反応の持続時間が短いという問題がありました。

発展

ロベルト・ヒルシュは、イオン加速器に頼らない新たなフューザー設計を提案しました。同心円状の球形電極を用い、外側の電極周囲のコロナ放電をイオン源として利用することで、効率的な燃料供給を実現しました。このヒルシュ・ミークスフューザーは、現在でも研究が続けられている主要なフューザー設計の一つです。

近年の開発

1980年代以降、大型装置による核融合研究が停滞する中、フューザーは中性子発生装置として注目を集めるようになりました。特に、非破壊検査や医療用同位体製造への応用が期待されており、商業的な利用も進んでいます。また、ロバート・ブッサードは、フューザーに類似した「ポリウェル」と呼ばれる装置を提案し、発電機としての可能性を示唆しました。

作動原理

フューザーは、真空容器内に配置された電極間に高電圧を印加することで、荷電粒子を生成・加速します。加速された荷電粒子は、互いに衝突したり、背景ガスと衝突したりすることで、核融合反応を起こします。この反応によって中性子が生成され、その量は燃料の種類や電圧によって調整可能です。反応の詳細はまだ解明されていない点もありますが、二重井戸ポテンシャルやトンネル効果が重要な役割を果たしていると考えられています。

動力源としてのフューザー

フューザーは、核融合反応によってエネルギーを生成する可能性を秘めていますが、実用的な発電装置として利用するには、ローソン基準を満たす必要があります。磁場閉じ込め方式に比べて、フューザーは比較的単純な構造で実現できますが、プラズマ密度や閉じ込め時間といった課題が残されています。特に、陽子とホウ素11の核融合反応は、高温を必要とせず、中性子を生成しないという利点がありますが、プラズマ密度の制限が課題となっています。

中性子源としてのフューザー

エネルギー源としての利用以外にも、フューザーは中性子発生装置として既に実用化されています。非破壊検査や医療用同位体製造などに利用され、その簡便性と安全性から注目されています。

愛好家による製作

小型のフューザーであれば、比較的容易に自作することが可能です。高校生の科学実験などでも利用されており、核融合の原理を学ぶための教材としても役立っています。ただし、高電圧を使用するため、安全対策を十分に行う必要があります。

特許

フューザーに関する多くの特許が存在します。特に、ファーンズワースとヒルシュによる特許は、フューザーの開発において重要な役割を果たしました。

まとめ

フューザーは、その簡便性と多様な用途から、核融合研究や産業応用において重要な役割を担う装置です。今後も、その改良と発展によって、新たな可能性が拓かれることが期待されます。

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