核融合 Z マシンと LTD
ドープされた Z マシン
ジュリエン・ジェフレイ
2007年5月21日
核融合に関する活動と現在の動きは、少なくとも米国では Z マシンによって再び活気づいています。フランスの Z マシン「Sphinx（スフィンクス）」については、別の話です。DGA（フランス国防庁）は、この記事が掲載された les Echos 2007年5月16日号 を読めばお分かりのように、すべてを閉ざしてしまったのです。
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les Echos
2007年5月16日
専門分野
原子力
フランスの Z マシンはエネルギーを避ける
小さな「スフィンクス」。
クルーセー地方のグラマット研究センター（CEG）では、DGA は数年前から、250万アンペアの小さなフランスの Z マシン「スフィンクス」を運用しています。このマシンは、米国の大きな姉妹機と同様に、核弾頭の耐性をテストするために使用されています。
しかし、このマシンは民間の実験を一切行いません。数年前、グラマットの研究者たちは、軍事的な指導機関に多様な研究を提案しましたが、結果は出ませんでした。
「レ・エコス」に尋ねられた、非常に「強硬な」CEGは、現在、エネルギー関連のプロジェクトは一切ないとしています。この投資の控えめさは、専門家たちを不安にさせています。
フランスのこの電力技術分野の専門知識は脅かされている、と一人の専門家は述べています。
イギリスでは、同様のマシン「マジピ（Magpie）」が帝国理工学院で運用されており、140万アンペアの磁気圧縮に取り組んでいます。米国の資金によって運用されており、Z マシンの核目標には達していないものの、米国は磁気圧縮に関する研究を補完するために使用しています。ロシアもこの研究テーマに投資しようとしています。
注：「圧縮（Striction）」は「ピンチ（Pinch）」のフランス語訳です。「ピンチ」とは「挟み込む」ことを意味します。したがって、Z マシンは「Z ピンチ」と呼ばれるプラズマ機器の一種であり、システムの対称軸 OZ に沿ってプラズマを「挟み込む」ように動作します。すべての Z ピンチは MHD（磁気流体力学） マシンであり、フランスは30年前にはこの分野で世界的に先進的でした。しかし、1970年代半ばに完全かつ意図的に放棄されてしまいました。この分野における政府機関の反応のなさには、理解不足や単なる無能さが含まれています。例えば、軍事的な MHD はフランスでは完全に存在しないのに対し、米国やロシアなどでは活発に運用されています。これを簡潔に表現すれば、次のようになります：
他の国ではアクセルを踏み込んでいるのに、フランスではブレーキを踏んでいる
別のコメント：アラン・ジュペが「環境大臣」に任命されました。この立場で、最近多くの環境保護団体の代表が招かれました。しかし、これは新しいエネルギー源を積極的に推進する行動と不可分です。しかし、ここでは完全な空白です。動機付けも情報も、さらに専門知識もありません。しかし、話を元の記事に戻しましょう。
米国では、最新の「LTD（Linear Transformer Driver）」ジェネレーターに関するニュースは非常に魅力的で、予想より早く進展しています。サンドイア研究所は2007年4月24日に次のプレスリリースを発表しました：
Rapid-fire pulse brings Sandia Z method closer to goal of high-yield fusion reactor （「超高速パルスが、高出力核融合反応炉の目標に近づける」）
この記事は、このページの下部に完全翻訳されています。これは、LTD（Linear Transformer Driver） と呼ばれるジェネレーターを紹介しており、「線形トランスフォーマー・ドライバ」と訳せますが、これは Z マシンで実際に運用可能な制御された核融合を可能にするものです。LTD は Z マシンをよりコンパクトで複雑さを減らし、巨大な水と油の絶縁プールや、パルスを時間的に調整するために必要な「水線」を不要にします。特に、LTD は0.1Hzの周波数で繰り返し発射が可能になります。一方、現在の Z マシンは1日1回の発射しかできません！LTD ジェネレーターは実際には驚きではありません。フランスのスフィンクス Z マシンはすでに長期間、これに装備されています。フランスのスフィンクス Z マシン はその例です。ここでの新しさは、ロシアが最新のLTDZモデルで達成した性能です：
ロシアのLTDZジェネレーター 100ギガワット：100万アンペアと100kV
直径：3メートル - 深さ：22センチメートル
LTD ジェネレーターの仕組みを簡単に説明しましょう。これは、「ブロック」と呼ばれる部品の集合体で、それぞれは靴箱ほどのサイズで、2つのコンデンサとスイッチを備えています。これらは並列接続され、円形に配置され、私たちに関係するバージョンでは40個の「ブロック」が1つのトロイダルな「キャビティ」を形成します。
LTDZ の構成ブロックの断面図
1: 2つのコンデンサ GA 31165（100kV、40nF）、2: HCEI マルチギャップ スイッチ、3: 出力ノズル、4: マグネットコア、5: 絶縁体、6: 真空または油のキャビティ、7: 充電キャビティ、8: カプロラクトンの棒
このロシアのバージョンは、現在最も高度なものです。これは、シベリアのトムスクにある High Current Electronics Institute（HCEI）でテストされており、サンドイア研究所はこれに4台を購入しました。米露間の核融合におけるピンチ技術の協力関係が見られます。このロシアのLTDは、世界最大の出力（100ギガワット）を持ち、100,000ボルトで100万アンペアのパルスを発生させ、自然に100ナノ秒間持続します（つまり、その持続時間を圧縮する必要はありません）。さらに、10秒ごとに発射するように設計されています。これは、将来の磁気圧縮による実用的な核融合発電所で定められたスケジュールであり、実際に「2ストローク核融合（圧縮、膨張）」のように動作します。
このコンセプトは信頼性があります。このLTDの以前のバージョンは、同じ構造で出力が半分（20個のブロックで0.5メガアンペア、100,000ボルト）でしたが、サンドイア研究所は11,000回以上の発射を経て検証済みです。トムスクでは、スイッチが12秒ごとに37,000回以上発射しました。
これらのキャビティはモジュール式なので、サンドイアはそれらをドーナツのように棒に積み重ね、その後その棒を増やす計画をしています。これにより、70個の円筒型モジュールが放射状に配置され、それぞれが70個のLTDをコアクローナルに積み重ねます。この配置の効率は破壊的です：
- 各モジュールは約20メートルの長さで、内部の70個のLTDは直列接続され、電圧を加算します。したがって、出力は100万アンペアと700万ボルトになります。
- これらの70個のモジュールは並列接続され、今度は電流を加算し、最終的に7000万アンペアと700万ボルトのマシンを提供します。
サンドイアの「IFEドライバー」プロジェクト、直径104メートル。
7000万アンペア、700万ボルト、理論的な490テラワット。70個のモジュール、各モジュールに70個のLTDを含み、合計392,000個のコンデンサ。
導体の長さに伴う不可避的な損失を考慮すると、サンドイアは6000万アンペアと600万ボルトの出力を得ると予想しています。これは、ターゲットへのインジェクション前の出力で360テラワットに相当します。
このテストベンチは、図に示されているように、水平に配置されます。カーチャトフ研究所のロシア人は、このモジュールを垂直に積み重ねることも提案しています。球対称性も考えられます。この分野の科学者の一人が言いました。「まるでメカノで遊んでいるようなものです。」
LTDの設置図
これは…ロシアのものです。単純なアイデアです。大きな進歩です。サンドイアのテキストに書かれているように（私が長年言い続けてきたことを再確認しています。1975年の「サイエンス・エット・ビエ」に「MHD圧縮付きの2ストローク核融合」の最初の記述があります）、これはインパルス核融合、圧縮を通じたものです。「爆発エンジン」は、3世紀の蒸気機関の対比です。ITERです。
1979年1月号の「Pour la Science」に戻ると、Yonasによってサンドイアで建設されたZマシンの初期形が見られます。出力はすでに非常に強力でしたが、焦点がありませんでした。1976年にサンドイアで彼に会ったとき、ジェラルドは私に言いました。「我々は卵のサイズの体積に集中させることはできますが、それ以上はできません。」重要な進歩は「セリンの籠」、有名な「フィラメントライナー」で、誰も想像していなかった焦点を可能にしました。24本のステンレス鋼の線を、1.5ミリメートルのプラズマコードに沿って8センチメートルの円筒に配置しました。そして、温度が上昇しました、バッコン！！ 他のことは、長期間にわたって電気工学の分野に属しています。ロシア人の有名な知恵を加える必要があります。彼らは価格を下げるのが早いです。彼らはすぐにボールをキャッチし、2005年の35億度の実験の意味を理解しました。彼らはそれが限界ではないことを知っています。これは、カーラムのJETで達成された温度の35倍であり、ITERが高価な後継者となるものです。これは、水素爆弾の中心温度の7倍、太陽の中心温度の175倍です。
人々は「私たちが明確に述べたいのは、これらのZピンチではまだ融合条件に達していない（一方、トカマクでは…）。この方法で融合反応を実現する可能性を示す実証をまず行うべきである」と述べています。
実証するには？どこで？どの資金で？どの研究者で？...
これは行われるでしょうが、私たちの国では起こりません。
現在の進行状況を見れば、つまり…火車のようですが、フランスでは眠っているように、このインパルス系は、その巨大なプロジェクトが始まる前に、融合反応を生み出すことになります。このプロジェクトの決定は、フランスの有名な科学者、ジャン・クロード・ギスカール教授によって個人的に取られました。サルコジは、この巨大な「地域規模の社会的計画」を始めのうちは止める勇気を持つのでしょうか？これらの最新の進歩を考えると、検討すべきです。
ギスカールの2期の政権は、本当に…純粋な政治そのものです。世論をどう操作するか、どう再選されるか、どう特定のグループを操作するか。あなたが予測をしたいですか？ギスカールは、地球と環境の大きな擁護者として再び立ち上がるでしょう。彼は今やエリゼー宮殿の住人ではなく、カピトリーヌのアヒルのように振る舞います。彼は、かつてHulotが頻繁に訪問していた時期を思い出します。彼は自転車でエリゼー宮殿の庭に乗り込みました。ジャンクは、フランス国外で大演説をしました。彼は、どこかでエコモラルの講義をするための場所を見つけるでしょう。
賭けましょうか？
私の読者たちは「なぜジュップに連絡しないのか？そして新しくなった研究大臣のヴァレリー・ペクレスに？」と言います。
私は、明日は誰とでも会います。しかし、1年間、すべての政治家にアプローチしましたが、無駄でした。選挙後に少しチャンスがあると思っていたのですが、間違いでした。Hulot（そして彼の科学顧問のヒューベルト・リーブス）にもアプローチしましたが、完全に失敗しました。彼らやその科学技術的な周囲の人々は、ほとんど理解していませんでした。バイロウは驚きの目で見ました。セゴレーヌ・ロワイヤーのキャンペーン本部は、彼のブログを読むように提案しました。などなど...
とにかく、2007年から私たちは、カーチャトフ研究所で核融合を担当するロシア人「オイル（油）」から手紙を持っています。彼は多くの科学的栄誉と称号を持っており、科学院の会員です。この手紙は彼が書いたものです。私たちの手元にあります。彼はZピンチの開発を推進しています。しかし、私がすでに言ったように、私たちは…宛先がありません！このような文書をネットのブログに掲載することはできません。もしヴァレリー・ペクレスの周囲の人や彼自身が現れれば（誰かが知らないうちに）、ロシア人は署名し、送信します。
ロシアのLTDZジェネレーターの最新実験結果は、2007年の国際会議（International Pulsed Power Conference と Symposium on Fusion Engineering）で発表される予定です。ニューメキシコ州アラモーグロの6月17日から21日にかけて開催されます。興味のある読者は、サンドイアの2006年9月の簡易報告書 を既に読むことができます。この報告書は、LTDとSaturnマシンの組み合わせのコンセプトを紹介しています。このマシンはやや力が弱いですが、このドキュメントの内容はZマシンに直接適用可能です。また、最後の国際会議で発表されたこの最新のジェネレーターに関するロシアの科学論文も参照してください：100 GW Fast LTD Stage。
2007年4月24日にサンドイア研究所の公式サイトに掲載された記事のフランス語訳は以下の通りです：
http://www.sandia.gov/news/resources/releases/2007/rapid-fire-pulse.html
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原記事へのリンク：
2007年4月24日 超高速パルスが、高出力核融合炉の目標にさらに近づく。信頼性の高い数千回の発射が可能な回路。シベリアで、51区ではなく、サンドイアのビル・ファウラーは、非常に強力な電気パルスを迅速かつ繰り返し生成できるLTDジェネレーターの回路をテストしています。（写真：ランディ・モンタナ）アルバカーキ、ニューメキシコ州— Zマシンを備えたサンドイア研究所で、高効率な制御された核融合を実現し、10秒ごとにそれを行うことが可能になるだけの電力を提供する回路が、試験とコンピュータシミュレーションを通じて、すでに試験されています。
現在、Zマシンは地球上で最も多くのX線を生成する装置であり、すでに融合中性子を生成しています。しかし、将来的な運用可能な発電所では、海水から電力を生成するために、繰り返しの発射が必要です。これはこれまで可能とされていませんでした。
サンドイアは、米国原子力安全保障庁（NNSA）の研究施設です。
どうやって動くのか？
1つのシリンダーを点火し、その後何時間も待ってから再び点火するような爆発エンジンは、車を遠くまで運ばないでしょう。
同様に、豊富で安価な海水から無限の電力を供給する装置は、1回だけ発射してその後は休むことはできません。10秒ごとに水素の粒を融合させ、そのサイクルを何百万回も繰り返す必要があります— まるで核融合用の内部燃焼エンジンです。これは、サンドイア研究所や他の場所で推奨されている「慣性制約融合（Inertial Confinement Fusion）」の方法です。
サンドイアの科学者ディロン・マクダニエル（左から2番目）とスティーブ・グローバー（右）は、ロシアのトムスクにあるHCEIのアレクサンドル・キム（左）とともに、500kAのLTDを検査しています。このLTDは、2年半前にサンドイアに到着しました。
これまでは、定期的な発射が不可能だったこの方法は、「磁気制約融合（Magnetic Confinement Fusion）」という技術に打ち勝たれてきました。この技術は、磁場を使って連続的な融合反応を閉じ込め、そこからエネルギーを取り出そうとします。
しかし、技術の進歩に伴い、この電気回路が2つのシステムのバランスを変えるかもしれません。この技術は、すでに保守的な研究者たちからも「画期的」と評価されており、この方法がもう一つの方法に比べて遅れているように見えるのを補うかもしれません。
このジェネレーターは、10.2秒ごとに短く強力な電気パルスを発生させることができます。
「これは、数十年にわたる電力生産の研究で最も重要な進歩です」と、サンドイアのPulsed Power Centerのディレクターであるキース・マーテンは語っています。
新しいシステム、Linear Transformer Driver（LTD）は、ロシアのトムスク高強度研究所と米国のサンドイア研究者たちの協力によって開発されました。
サンドイアの科学技術研究財団の副社長リック・スチューレンは、「この新しい技術は、単なる技術的な進歩だけでなく、サンドイアの科学者とエンジニアが国際的なコミュニティに深く関与していることを示しています」と述べています。核融合への王道
この回路は、2つのコンデンサに密接に接続されたスイッチで構成され、約靴箱のサイズで、「ブロック」と呼ばれます。複数のブロックを20個ずつグループにし、円形の容器に並列接続すると、そのキャビティは50万アンペア、100キロボルトを送信できます。
このようなキャビティは、サンドイアの4区で、11,000回以上、失敗することなく発射されました。
ボリス・コバルチュク（HCEI、グレーの服）は、サンドイアのディロン・マクダニエルに新しいLTD装置の設計図を示しています。アレクサンドル・キム（右）は、識別されていません。
これらのキャビティはモジュール式なので、金属の棒と呼ばれる「ロッド」にドーナツのように積み重ねることができます。適切な配置で、6000万アンペアと600万ボルトを発生させることができます。これは、理論的には、実際の電力施設を設計するためのすべてのパラメータを備えた高効率核融合を生成するのに十分です。
「これは画期的な進歩です」と、サンドイアの上級科学者で、「Pulsed Power Inertial Fusion Energy」プログラムの責任者であるクレイグ・オルソンは語っています。
現在トムスクでテストされている新世代モデルは、同じ電圧で同じ速度で100万アンペアを送信します。5台が作られ、4台はサンドイアが、1台はミシガン大学が購入しました。各台の価格は16万ドルです。サンドイアの科学者マイク・マザラキスがシベリアでのテストを監督したところ、すべてが予定通りに動作しています。
「信じられないほどの達成です」と、サンドイアの副社長ジェリー・ヨナスは語っています。彼はZマシンとサンドイアのAdvanced Concepts Groupの専門家です。
新技術の利点
サンドイアの会計士にとっては幸いですが、Zマシンの写真で有名な写真家ランディ・モンタナにとっては不運なことに、新しいスイッチは現在のZマシンに含まれる数百数千リットルの水と油で満たされた巨大な絶縁プールを不要にします。これは、液体の上に発生する特徴的な電気アークで、芸術的価値とエンジニアにとってのエネルギーの無駄を意味していました。また、数マイクロ秒の初期パルスをナノ秒に短縮するために必要な複雑な電力スイッチング装置も不要になりました。
LTDジェネレーターは、100ナノ秒の範囲内で直接パルスを生成します。これは、通常の電気の伝送を遅らせるインダクタンスを大幅に低下させることで、効率的に動作します。
ディロン・マクダニエルは、250、500、1000キロアンペアのLTDのコンデンサ層の間にある絶縁体を調べています。
これは、現在のZマシンの巨大なプレートと長いケーブルを削減することで実現されます。これらの部品はすべて磁場を生成します。新しいシステムでは、各ブロックにはほぼ導線がありません。小さな保温ボトルサイズの2つのコンデンサが、タッパーのようなスイッチに密接に接続されています。これにより、磁場の遅延効果がほとんどありません。
さらに、ブロックを並列接続してキャビティにすると、電流を加算するだけでなく、インダクタンスをこれまでのより低いレベルにまで減少させます。
これらの並列接続されたサブアセンブリは、今度は直列接続されて電圧を加算します。
これにより、非常に強力なマシンが作られ、非常に迅速な連続発射が可能になります。必要なのは、スイッチのループとラインを覆う薄い油層だけです。
LTD技術は、Zマシンの現在の発射装置と比較して、エネルギーの利用効率が50％高いです。Zマシンの現在の効率は、15％で、これは核融合の他の代替案と比較して非常に高い効率です。
しかし、この効率にはある程度のコストが伴います。
Zマシンに割り当てられた資金は歴史的に軍事的目標、特に防衛に関連しています。その実験は、核兵器のスーパーコンピュータシミュレーションにデータを提供することを目的としています。これにより、米国の核抑止力の効率、効果、安全性が維持されます。このマシンが繰り返し発射できるとしても、強力なLTDマシンは、核兵器によって作られる条件をより良くシミュレートすることができ、実験で得られたデータは、より正確な核シミュレーションに使用できます。米国は15年間、実際の核弾頭の試験を実施していません。
繰り返し発射することで、このマシンは、20年以内に、実用的な核融合発電所の基盤となる可能性があります。この分野での進歩には、エネルギー省の「エネルギー」部門からの資金が必要になるかもしれません。
この新しいコンセプトが実用的であるためには、5〜7年で100のキャビティを持つテストベンチを建設するための3500万ドルが必要です。テストが成功すれば、将来的なZマシンはLTDジェネレーターで構成されるようになります。
これまでの資金の獲得は、エネルギー省の国家核セキュリティ庁のプログラムを通じた議会の2つの取り組み、サンドイア内の研究機関による研究資金、およびサンドイアの慣性制約融合プログラムによって行われました。
「まるでメカノで遊んでいるようなものです」とマーテンは言いました。「私たちは、良い核融合効率を得るために6000万アンペアが必要だと考えています。しかし、シミュレーションではそれが可能であることが示されていますが、実際に作ってみなければわかりません。」この装置は、トムスクの高電圧研究主任アレクサンダー・キムによって設計され、スイッチはボリス・コバルチュクによって開発されました。そのマイクロ秒から100ナノ秒への加速は、サンドイアのディロン・マクダニエルによって行われ、リック・スピルマンとケン・ストーブによって励まされました。研究はサンドイアとトムスクでマイク・マザラキスによって監督され、サンドイアでのテストはビル・ファウラーとロビン・シャープによって行われました。サンドイアのZ-IFEエネルギープログラムは、クレイグ・オルソンによって開始され、管理されています。
LTDの最新の開発結果は、2007年6月にニューメキシコ州アラモーグロで開催される国際パルスパワー会議とIEEEの核融合工学シンポジウムで発表される予定です。
サンドイアは、ウィリアム・スタイガーによって発明された高出力パルス加速器に関する特許を出願しました。この装置は、LTDシステムを主な電流ジェネレーターとして、従来のマックスジェネレーターを置き換えるために使用されます。
サンドイアは、ロックヒード・マーティンのサンドイア社によって、米国エネルギー省の国家核セキュリティ庁の下で管理される、多様なプロジェクトを持つ研究所です。サンドイアは、国家の安全保障、エネルギー、環境技術、および経済競争力に関する主要な研究開発責任を担っています。
サンドイアのメディアおよびニュース担当者へのお問い合わせ：
ネール・シンガー、 (505) 845-7078
この2つの記事を、J.P. Petit が彼のサイトのために私が書いたものとして締めくくると、彼がこの問題に関する公衆、科学者、そして…科学ジャーナリストたちの注意を最初に引きつけたこと、詳細な説明と分析を提供したことを指摘したいと思います（マクレム・ヘインズの論文を参照）。しかし、誰もこれらの努力について言及せず、彼のサイトへのリンクも掲載されていません。これは珍しくなく、不幸なことに、これは変ることはないでしょう。
2007年5月21日 **ジュリエン・ジェフレイ ** --- ---
