Zマシンが20億度を達成
なぜITER計画を中止すべきなのか
2006年3月23日
http://www.univers-nature.com/inf/inf_actualite1.cgi?id=4218
2010年5月13日、4年後：
ITER、核融合プロジェクトのコストが爆発的に増加
ITERは、フランス南部カダラッシュに建設される核融合炉であり、ほぼ無限のエネルギー生産を約束する地上での核融合の実現を目指している（1）。しかし、その建設費用は当初提示された45億7000万ユーロの少なくとも2倍以上になる見通しで、事実上コストが爆発している（2）。中国、韓国、米国、インド、日本、ロシア連邦もプロジェクトに参加しているが、経済的な主要貢献者は欧州連合（EU）である。そのため、建設に充てられる10年間で、EUの負担額は27億ユーロから72億ユーロに増加する見込みだ。欧州委員会によれば、これに対応するためには、加盟国の拠出金を増やすか、EU予算内でITERに割り当てられる割合を増やすかの2つの選択肢が考えられる。
米国によるITER資金提供からの離脱という現状を差し引いても、このコストインフレは主に、プロジェクトの複雑さ、そして現在の設計（2001年時点）が今日の技術的可能性に合わせて大幅に変更されたことに起因している。
さらに、過去10年間で原材料のコストは上昇し続け、ITERの総請求額の増加にも寄与している。
念のため、ITERは商業的にエネルギーを生産することを目的としていないことを思い出しておきたい。その目的は、地球上での核融合の実現可能性を実証することであり、「投入エネルギー」50メガワット（MW）から、6分間という短い期間で約5億ワット（MW）の熱を生成することにある。
この段階が完了すれば、2050年頃までに、概念の産業化実現可能性を実証するために、日本に最初の核融合炉「DEMO」が建設される予定である。
現在の経済危機を踏まえ、関係各国政府は再び財布の紐を緩めるだろうか。それは確実ではない。期待に見合う資金調達ができなければ、科学者たちはプロジェクトの規模を縮小せざるを得なくなるかもしれない。
パスカル・ファルシー
1- ITER（国際熱核融合実験炉）は、21世紀後半において、人類が太陽のエネルギー生産モデルに近づけることを目的としている。
2- 2007年時点の総予算は、建設費（10年間）45億7000万ユーロ、運用費（20年間）48億ユーロ、解体費（10〜15年間）5億3000万ユーロで構成されていた。
私の2006年の文章：
去る3月16日にペルテュイで開催された所谓的な「討論会」に出席した際、反核派の人々が来ていた。彼らは白いマスクを着用し、CEA（フランス原子力エネルギー代替庁）の人々の笑顔の前でスローガンを叫んでいた。CEA側はパトリック・ルグランに率いられており、彼はパンフレットの中で「討論は軌道に乗った」と書いている。
「討論は軌道に乗った」
人々は私の発言内容を知って非常に驚いた。ルグランは最後に大きな笑顔で私にこう言った。
- まあ、落ち着いてください。マイクを渡しますから、質問をしてください。お答えします。
しかし、私の質問はこうだった。
- このプロジェクトの関係者は、壁面から重い原子核が引き剥がされることに伴う制動放射による強力な放射冷却に、どのように対抗するおつもりですか？
すると突然、誰もいなくなった。ルグランは顎が外れたような顔で、否定するジェスチャーをした。プロジェクトの行政責任者や、「この社会プロジェクト」では花やカブトムシの保護に心を砕くと説明に来た環境専門家も同様だった。
結局、私の隣に座っていたエンジニアが見つかり、彼はこうもごもごと答えた。
- うーん……良い質問ですね……
確かに、これは「100万ドルの質問」であり、決して口にしてはならない質問だ。最も高速な水素原子は常に磁気バリアを通過し、壁面に衝突して原子を引き剥がし、それらは瞬時に完全にイオン化する。しかし、自由電子との相互作用による制動放射（ブレムストラーlung）による損失は、電荷の二乗に比例する。プラズマは汚染され、冷却される。ITERのボイラーは窒息してしまう……。
イギリスのカルハムでは、核融合を1秒間維持することに成功した。ITERは、20〜40年後に10秒、あるいは20秒の核融合を生み出すだろう。ボイラーの消火という問題への対処法について、誰も具体的に計画していない。「スケールファクターがある」と言うだけだ。放射損失は、より大型の機械では相対的に小さくなる。数十秒の核融合が得られれば、「より高価なスーパーITERを建設すれば、今度はうまくいく」と言われるだろう。
深刻で不可避な問題に対する解決策がすべて準備できていない状態で、これほどの規模とコストのプロジェクトを開始すべきではない。
ITERが単なる高価なおもちゃか、ペルテュイで耳にし、読んだような「社会プロジェクト」でない限りは。
ITERは、何よりも、私たちの科学者たちの想像力の完全な欠如の例証である。理論分野における超弦理論の実験版のようなものだ。トカマク方式による核融合は、半世紀にわたって停滞している。私たちはさらに30〜40年の忍耐を求められているが、その頃には私たちの物理学そのものが根本的に変わっているかもしれない。会場を去る際に私が言ったように：
ITERは、第3千年期の蒸気機関である
25年前に建設が始まったフランスのトカマク「トール・シュプラ」は、同じ「実験室での太陽」などというお決まりの文句（ブラブラトロン方式）とともに始まったが、約束を果たせなかった。核融合：ゼロ。温度上昇は極めて限定的だった。しかし「超伝導磁石は機能している」。それで何がすごいのか！ 4テスラを発生する超伝導磁石の建設に25年：これは世界中の粒子加速器の泡箱で完全に確立された技術だ。しかしフランスでは、失敗を祝うことにすぐ飛びつく。
出席者たちが記憶に残したのは、専門家との最後のやり取りだった。「良い質問ですね」と言った人物とのものだ。
- 現代において、私たちはそのような「ダンサー」を維持する余裕があるのか？ - ああ、多額のように聞こえますが、GNP比で見れば、ずっと少ないものです……
まあ、そうですか。
会場を去る前に、私は自分の見解を説明した。それは核融合への「ノー」ではなく、「真の核融合」に対する「ノー」だ。蒸気機関が内燃機関に対してそうであるように。この比較は適切だ。ITERでは、連続運転、低すぎる温度、汚染的な反応を目指している。これは周囲の構造を放射化し、新たな放射性廃棄物を蓄積させる。一方、未来は：
クリーンな核融合：ホウ素11と水素1、パルス方式で、10億度。
あるいは：
リチウム7と水素1：5億度。
翌日、偶然にも、ニューメキシコ州のサンディア研究所は、Zマシンの結果を発表した（Googleで「Zマシン」と検索してください）。
出典：
http://www.sandia.gov/media/z290.htm
http://www.sandia.gov/news-center/news-releases/2003/nuclear-power/Zneutrons.html
http://www.futura-sciences.com/news-z-machine-depasse-deux-milliards-degres_8419.php
フューチャー・サイエンス記事の内容：
Zマシンは、20億度を軽く超える温度を生成した！
（クレジット：ランディ・モントヤ）
通常、Zマシンは次のように機能する：2000万アンペアの電流が、髪の毛の幅ほどのタングステン線のネットワークを流れる。毛糸玉ほどのサイズの中心部で、これらの線は瞬時に溶解してプラズマを生成し、強力な磁場によって高速で圧縮され、鉛筆の芯ほどの厚さになる。圧縮されると、イオンと電子は行き場を失い（「スタグネーションポイント」）、壁に全速力で突っ込む弾丸のように急停止し、大量のエネルギーをX線として放出する。このように、Zマシンは太陽フレアに近い数百万度の温度を生成するように設計されていた。
「スタグネーションポイント」は「stagnation point」の誤訳であり、正しくは「停滞点」または「滞圧点」を意味する。気流の速度がゼロに低下する点を指す。例えば、宇宙船の鼻先を考えてほしい。滞圧点は、気体の速度がゼロになる鼻先の点である。論理的には、この装置ではプラズマがシステムの軸に収束するため、「stagnation line（停滞線）」と呼ぶべきである。このテキストを解釈すると、圧縮の最終段階、つまり速度がゼロになった時点で、プラズマは「鉛筆の芯」のような形状と体積を持つことになるようだ。
しかし、科学者たちは、タングステン線をより幅の広い円筒形の鋼鉄線に置き換えることで、10億度を超える温度に到達できるとは思いもしなかっただろう。「最初は信じられなかった。誤りではないことを確認するために、何度も実験を繰り返した」とプロジェクト責任者のクリス・ディーニーは説明する。
しかし、サンディア研究所では実際に何が起きたのだろうか？ 今月号の『Physical Review Letters』に掲載された論文の中で、サンディアのコンサルタントであるマルコム・ヘインズは、この驚くべき温度は「停滞点」で発生する多数の不安定性によるものであり、それにより大量の磁気エネルギーが数ナノ秒という短い時間で熱エネルギーに変換されたと仮説を立てている。
この論文を取り寄せて、正確に何が起きているのか調べてみる必要があるだろう。
現在、この現象についてさらに学ぶための研究が進められている。いずれにせよ、マルコム・ヘインズによれば、このような温度の達成は非常に有用である可能性がある。太陽フレアの研究が容易になり、
よりコンパクトで低コストの原子力発電所の建設も可能になるかもしれない。
フューチャー・サイエンス記事の内容：
Zマシンは、20億度を軽く超える温度を生成した！
（クレジット：ランディ・モントヤ）
通常、Zマシンは次のように機能する：2000万アンペアの電流が、髪の毛の幅ほどのタングステン線のネットワークを流れる。毛糸玉ほどのサイズの中心部で、これらの線は瞬時に溶解してプラズマを生成し、強力な磁場によって高速で圧縮され、鉛筆の芯ほどの厚さになる。圧縮されると、イオンと電子は行き場を失い（「スタグネーションポイント」）、壁に全速力で突っ込む弾丸のように急停止し、大量のエネルギーをX線として放出する。このように、Zマシンは太陽フレアに近い数百万度の温度を生成するように設計されていた。
JPP
:
「スタグネーションポイント」は「stagnation point」の誤訳であり、正しくは「停滞点」または「滞圧点」を意味する。気流の速度がゼロに低下する点を指す。例えば、宇宙船の鼻先を考えてほしい。滞圧点は、気体の速度がゼロになる鼻先の点である。論理的には、この装置ではプラズマがシステムの軸に収束するため、「stagnation line（停滞線）」と呼ぶべきである。このテキストを解釈すると、圧縮の最終段階、つまり速度がゼロになった時点で、プラズマは「鉛筆の芯」のような形状と体積を持つことになるようだ。
しかし、科学者たちは、タングステン線をより幅の広い円筒形の鋼鉄線に置き換えることで、10億度を超える温度に到達できるとは思いもしなかっただろう。「最初は信じられなかった。誤りではないことを確認するために、何度も実験を繰り返した」とプロジェクト責任者のクリス・ディーニーは説明する。
しかし、サンディア研究所では実際に何が起きたのだろうか？ 今月号の『Physical Review Letters』に掲載された論文の中で、サンディアのコンサルタントであるマルコム・ヘインズは、この驚くべき温度は「停滞点」で発生する多数の不安定性によるものであり、それにより大量の磁気エネルギーが数ナノ秒という短い時間で熱エネルギーに変換されたと仮説を立てている。
JPP
:
この論文を取り寄せて、正確に何が起きているのか調べてみる必要があるだろう。
現在、この現象についてさらに学ぶための研究が進められている。いずれにせよ、マルコム・ヘインズによれば、このような温度の達成は非常に有用である可能性がある。太陽フレアの研究が容易になり、
よりコンパクトで低コストの原子力発電所の建設も可能になるかもしれない。
このプロジェクトの責任者はジェラルド・ヨナスであり、私は1976年にサンディアで彼に会ったことがある（私の著書『悪魔の子ら』を参照）。この装置を見てほしい。あれから……30年だ。出典：『Pour la Science』1979年1月号、52-53ページ（数学者ベルナール・モランと共著で私が書いた球の反転に関する論文も掲載されている）。
ヨナスの実験、サンディア、1976年。ハトの卵サイズの標的に電子ビームを照射
老練なジェラルドは、強電流技術の初心者ではない。「Zマシン」の原理は比較的単純だ。ヨナスは、それぞれが髪の毛の直径の10分の1の太さを持つ多数の線の集合体に、合計で2000万アンペアの電流を送り込む。これらの線は円筒構造を形成するように配置されている：
**電流が流される金属線の配置。
各線はプラズマに変換され、最終的にシステムの軸方向へ内向きに爆縮するプラズマのカーテンのようなシステムを形成する。**
これは円筒状の膜の破砕に似ている。電流分布をより均一にし、不安定性を避けるために、多数の導体に破砕するのだ。
この電流は磁場を生成し、瞬時にプラズマに変換された媒体に対して作用するラプラス力 J x B を生み出す。1976年には、このようなシステムを「ピンチマシン」と呼んでいた。「ピンチ」は「締め付ける」という意味だ。しかし、ピンチマシンは気体柱内の放電に基づいており、それがプラズマに変換されていた。その爆縮は不安定だった。ヨナスの線膜は、多数の「線」に破砕された「中空管」を想起させる。放電が発生すると、これらの線はすべてプラズマ柱に変換され、混ざり合い、最終的には電流を流す中空管で起こるような挙動を示す。違いは、この「破砕」が最終的により規則的な電流膜を生み出すことだ。いずれにせよ、結果は「慣性圧縮」を伴い、このプラズマ膜が軸方向へ内向きに爆縮することである。
当初、ヨナスはこれらのシステムをX線源として使用することを望んでいた。これらの実験の目的は、主に軍事的なものだったことは明らかだ（可能な限り詳細に論文を分析したい）。目標は、標的（おそらく中心軸に沿って配置されている）を核融合させるのに十分な強力なX線源を得ること、つまり、水素爆弾の機能をシミュレートするために原子爆弾を源として使用せずに済むようにすることだった。
ヨナスは、標的（軸に沿って配置）と、爆縮状態でプラズマに変換される線カーテン（圧縮機としての役割を果たす）との間に、「フォーム（foam）」を介在させたようだ。この圧縮システムの安定性は、事前に評価不可能だった。レーザー核融合では、これが主要な問題であることは知られている。球対称な圧縮はできないのだ。そのため、ボルドー近郊のバルプにある「メガジュール」は、別の種類のITERであり、高価で非常にリスキーなプロジェクトだ。軍人と工科大学出身者向けの別の「おもちゃ」だ。
ヨナスは軸方向に圧縮する。そして、驚くべきことに、温度上昇は劇的で、予想外のものだ。以下は、X線源としてのシステムが放出する出力だ。
**核融合への道？
サンディアの研究者たちは、マシンがX線として放出する出力を増やし続けている。****円筒面に沿って配置された線の集合体を使用することで、大きな進歩が達成された。**放電が発生すると、このシステムは爆縮状態のプラズマに変換される。このシステムにより、出力電力が大幅に増加した（最大290テラワット）。
これが稼働中のマシンだ。小さく複製された画像では、何が起きているのかを理解することはできない。
Zマシン：始動！
あなたが見ているのは、あらゆる方向に飛び散るアーク放電だ。ヨナスは、現代のニコラ・テスラだ。
このZマシンの動作原理と思われるものに関する簡単なメモ。まず「シータピンチ」の原理を示そう。
円筒（気体）の母線に平行に強力な電流を流す。生成される磁場は、プラズマ円筒を軸方向に圧縮しようとするラプラス力を伴う。システムは不安定だ。どこかでピンチが発生すると、電流密度が増加し、JxB力も増加する。
Zマシンの原理：
平行な電流が流れる2本の線を用意する。それらは互いに引き付け合う。「ケージ状の線」システムでも同様だ。最初の実験で、ヨナスはこれらの線がシステムの軸に沿って崩壊し、「プラズマカーテン」に変換されることを目指した。100本の線のケージと合計2000万アンペアでの簡単な計算。初期磁場は2テスラになるだろう。線がプラズマカーテンに変換されると、電流密度は平方メートルあたり3×10^12アンペアと推定される。ヨナスに確認を取る必要がある。これはあくまで粗い概算だ。初期の向心力による圧力は60メガバールと計算され、このプラズマを軸方向へ毎秒5kmで推進するはずだ。このままでは、金属原子からなるこのプラズマは温度上昇し、ヨナスがX線の嵐を生成するために考案した方法だと想像する。
爆縮前のプラズマ円筒の体積を概算し、それが軸方向に鉛筆の芯の直径（2mm）の物体まで圧縮されると結論づけると、印象的な圧縮係数が得られる。レーザー核融合では、液化した重水素の標的を圧縮し、半径を10分の1にすることを目標としていることを思い出してほしい。標的内でローソン条件を満たすにはそれで十分だ。液体を圧縮すると、激しい温度上昇を伴う。私の「八百屋の計算」（エコール・ポリテクニーク出身者が言うところの「チクザレ」）では、圧縮係数は約40となる。したがって、材料が核融合混合物であれば、うまくいく可能性がある。
なお、ヨナスの関心は民間向けではないことに注意されたい。これらは軍事研究だ。タングステン（高い融点を持ち、固体状態をできるだけ長く保ち、対称性を維持するため）の代わりにプルトニウムを使用する場合を想像してほしい。軸方向に圧縮すれば：ドカン……。
しかし、第二段階では、彼はより洗練された実験を選択したようだ。タングステンや鋼鉄は核融合混合物ではない。ヨナスは、どうやら3成分からなる構成を使用している。
核融合のためのZマシン
これらは断面図だ。1は線でできたケージ。中心、軸に沿って、核融合混合物の標的。その間に、組成が明かされていない「フォーム」。電流が流されると、金属線の円筒（プラズマに変換される）が圧縮パルスを生成する。私の意見では、これは「ブラストウェーブ」によって下流でプラズマに変換されるこの「フォーム」内を伝播する、内向きの円筒状衝撃波の発生を引き起こすはずだ。衝撃波はエネルギーの一部を運ぶ。磁場がゼロの媒体を伝播する。したがって、不安定性が存在しない可能性がある。 この有名な「フォーム」が何で構成されている可能性があるのかを理解するために、熟考すべき点が数多くある。
到達する温度は非常に高いため、プロセスに伴って非常に重要な放射過程が生じる。この放射の再吸収長を考慮する必要がある。ヨナスはアルゴンを試みたが、温度上昇が起きなかったと言っている。おそらくアルゴンが過度に加熱されるためだろう。この慣性閉じ込め実験では、密度と、標的が存在するシステムの軸上での衝突時の速度を増加させ、加熱をできるだけ遅らせる必要がある。つまり、加熱が「停滞線」上で最大の圧縮時だけに起こるようにするためだ。
新しいアイデアは、軸対称な爆縮が安定している、あるいは少なくとも球対称爆縮よりもはるかに安定しているように見えることだ。レーザー核融合の問題は、レーザーの衝撃が「プッシャー」（液化重水素標的を囲む層）上で完全に同期する必要があることだ。これは、すべての弾が同じ圧力パルスを与えることを期待して、ビー玉に対して25発（以上）の拳銃弾を発射するようなものだ。
ここで、ヨナスはケージのように配置された線システムにより、可能な限り軸対称な圧力パルスを得る工夫をしている。彼は当初、線が「持続」し、軸対称性を強制するためにタングステンを使用していた。その後、単純なステンレス鋼線に切り替えた。圧縮波の規則性が、20億度という劇的な温度上昇を可能にした！
核融合にとって、問題はエネルギー量ではなく、焦点化だ。このアイデアは、巨大な体積での連続的な核融合と、それがもたらすすべての巨大な技術的問題を目指すITERの中心テーマとは正反対だ。私は、衝撃波によるエネルギー焦点化を用いたパルス方式の核融合というアイデアに賛成だ。到達した温度は、中性子を放出しない、汚染のない核融合、例えばLi-HやB-H（5億度または10億度）を目指すことを可能にするとさえ言える。
このような温度をITERの関係者に話すと、彼らは怒り狂うだろう。マシンはそれを実現できない。
衝撃波によるエネルギー焦点化のプロセスにより、冷水の中で青銅を溶融させること（1905年に発見されたキャビテーション現象）、そして超音波で10,000度のプラズマを生成すること（ソノルミネッセンス）が可能であることが示された。
これらは、トカマク（ITER）のような超重量級の経路に対するアウトサイダーの経路だ。トカマクは、過去および未来の、非常に高価で複雑な技術的問題を数十年にわたって抱えている。私は、比較的軽量な手段で核融合に到達する方法があると考える人々の一人だ。ヨナスが20億度を超えるさらに高い温度に到達できる可能性も排除しない（……）。最終的な性能はエネルギー量ではなく、焦点化の効率（フォームの種類、幾何学形状）に依存するからだ。
フランスで「物理学が自由落下している」この時代に、私はここに関連する比較的安価な博士論文や実験、そして魅力的な数値シミュレーションの山を見ている。しかし、フランスはすべてをトカマクに賭けており、途中で馬を乗り換えることはあり得ない。人々は次のようには言えない：
- まあ、私たちは半世紀の間、時間と多額の金を無駄にした
誰がそんなことが言えようか？ これが、この種のマシンと核融合経路への執着を説明している。
2003年4月7日時点で、ヨナスのマシンは最初の、そして本物の核融合中性子を生成していた。しかし、最近、別の閾値が達成された。
Zマシンは20億度を生成した
これは、ホウ素11-水素1の核融合が実現可能になったことを意味する。これは、中性子を放出せず、周囲の構造を放射化せず、単に電荷を持つヘリウム原子核のみを放出する、放射性のないクリーンな核融合だ（！……）。これらのヘリウム原子核は磁気的に閉じ込めることができるだけでなく、この磁場を圧縮することで、全体をMHD発電機に変換する。最終的には、「核融合2ストロークエンジン」（私が1976年の『Science et Vie』誌の記事で既に説明したもの）が得られるだろう。この20億度は、いかなるトカマクも到達できない。
結論は、ITER計画を直ちに中止すべきだということだ。
「クリーンな核融合」につながる別の経路が存在するようだ。これらの研究を詳細に分析する必要がある。一見したところ、ヨナスのZマシンは、アルファ粒子（ヘリウム原子核）の生成を伴う混合物の核融合を実現できる可能性がある。これらは膨張するプラズマを構成する。この膨張が磁場中で行われ、システムが強い磁気レイノルズ数状態（磁気力線とイオン化媒体の密接な結合）にある場合、ソレノイドに強い誘導電流が生じる。マシンはパルスMHD発電機に変換される。このエネルギーの一部は、次の放電に備えてコンデンサーを充電するために使用できる。そこから「核融合2ストローク」の概念が生じる。
これらはすべて詳細に見直す必要があるが、一見したところ非常に興味深い。いずれにせよ、ITERという真の「ガス工場」よりも、はるかに低コストで複雑でない研究だ。