スタイルの定義
スターラトロープ
ヴェンデルシュテイン7-X
2015年12月17日
ようやくドイツ人が19年にわたる長きにわたる作業の末、実際の技術的悪夢であるスターラトロープの組み立てを終えた。12月初頭、この機械は初めてプラズマを生成し、ITERよりも何十年も前のことだった。当然のことながら、私のサイトを訪問した人々はこの機械について多くの質問を私に投げかけてきた。
このプロジェクトが実現されるまでに19年かかり、100万時間の作業が必要だった。これは20個の平面コイルと50個の非平面コイルを備えている。なぜこのような区別がされているのか？これらのコイルで磁場を作りたい場合、非常に強い電流を流す必要があり、最大で12,000アンペアに達する。しかし、強い電流をコイルに流すと、遠心力の影響でコイルが円形になる。このような力が働きすぎるとコイルが破損する可能性がある。ドイツのスターラトロープの構造は非常に複雑であるため、円形だけでなくねじれた形状のコイルが必要となった。
なぜこのような複雑な構造なのか？私がYouTubeにアップロードした5本の動画を視聴すれば、トカマクの基本的な原理が説明されている。これはアンドレイ・サハロフとアルティモヴィッチによって考案された冷たいアイデアから始まった。トロイダルな部屋に規則的に配置された円形のコイルを設置すると、機械の軸近くで磁場が強くなる。プラズマは磁場が弱い領域に集まりがちなので、磁場はプラズマを部屋の外へ押し出す傾向がある。トカマクはこの問題に対する最初の解決策である。機械の軸に沿って配置されたソレノイドにより、ゆっくりと増加する磁場（ITERでは13テスラに達する）が生成され、試験室に浸透する。この磁場により、プラズマ内で誘導電流が生じ、この電流はプラズマ内で円形に流れ、ポロイド磁場を生成する。この磁場は、部屋を囲むコイルによって生成された磁場と合成され、磁場線は螺旋状になる。
電荷を帯びた粒子は、磁場線の周りを螺旋状に移動する傾向があるため、これらの磁場線に従う。これにより、プラズマは部屋の中心に保たれる。もう一つの解決策として、1950年代にアメリカ人のライマン・スパッターによって提案されたスターラトロープがある。ヴェンデルシュテインX-7はスターラトロープである：
黄色い部分が機械の部屋、青い部分が多数のコイル。設計段階では、部屋の形状やコイルの設計を最適化するために多くのコンピュータ計算が行われた。これらは膨大な作業量と100万時間の労力が必要だった。
なぜスターラトロープをトカマクではなく選ぶのか？トカマク（およびITER）では、破壊（disruption）の可能性が最大の課題である。部屋内で「プラズマ電流」（ITERでは1500万アンペア）は、尾を噛み合う蛇に例えられる。非常に簡略化して言えば、破壊はこの電流の巻き方の破綻に似ている。すると、蛇は尾を放し、壁を「かみつける」。ITERではこの「かみつき」は1100万アンペアに相当する。
原因はMHD乱流である。さらに悪いことに、この磁場の歪みは、電荷を帯びた粒子（主に電子）を加速する勾配を伴う。これらの電子は光速に近い相対論的速度に達し、非常に高いエネルギーを持つ。ある程度の速度に達すると、これらの電子はイオンとほとんど相互作用しなくなる。このような電子は「分離電子」と呼ばれる。しかし、「雪だるま効果」により、他の電子も加速される。ITERではこの効果は非常に顕著である。
スターラトロープではこのような現象は存在しない。他の不安定性が現れる可能性は否定できないが、実験によってその答えが得られるだろう。半世紀にわたりプラズマ装置は多くの予期せぬ問題を抱えてきたため、段階的に進めることが不可欠である。
ドイツの機械には、磁場の強度が3テスラに達する磁化システムが備わっている。マイクロ波による加熱システムは10〜50秒間動作する予定である。中性子注入システムは8メガワットのエネルギー供給を行う。この装置により、研究者たちは、部屋内のプラズマを1立方メートルあたり3×10^20核の密度、温度60〜120百万度にまで引き上げることを期待している。
ドイツのスターラトロープは、融合によって得られるエネルギーがプラズマの温度を十分に維持できる「自律的」プラズマを生成することはできない。これらのさまざまな機械は「核の火」を点けることを目指している。これは、湿った木を台車の破片や「火おこし機械」で点ける試みに例えられる。湿った木が燃えている間は、このエクソエネルギー過程に参加する。しかし、乾いた木の破片や火おこし機械が燃え尽きると、2つの可能性がある。湿った木の燃焼が十分な熱を放出して自らの火を維持するか、それとも放出されたエネルギーが不十分で火が消えてしまうかである。その場合、新しい火おこし機械を使って再び試みなければならない。
現在のところ、世界中のプラズマ装置はこのような条件をまだ実現できていない。最も高性能なのはJETで、エネルギー注入量とエネルギー生成量の比（Q係数）を0.6まで上げた。ITERの目標はこの係数を1より大きくすることだった。その間、突然の自己維持可能な融合プラズマがどのように振る舞うのかについては、まったく予測がつかない。この分野において、理論的な予測は非常に難しい。
ドイツのスターラトロープは、その複雑さに比例したコストを要した。私は10億ユーロの費用がかかると考えている。しかし、これは成熟したプロジェクトであり、機械は完成し、磁気システムは運用可能である。12月初頭、研究者たちは初めてのプラズマを生成した。その後は、マイクロ波や中性子注入によってエネルギー供給を増やすことになる。これはすでに確立された技術である。最初の質問は、「この機械はプラズマの閉じ込めに関して期待に応えているのか？」である。すでに一部の肯定的な答えが得られているようだ。
スターラトロープは、融合によるエネルギー生産の解決策となるのか？まだ早い。しかし、そのコストはITERの16分の1にとどまっている。このプロジェクトに比べて、スターラトロープは大きな優位性を持っている。それは、動作していることと、研究者たちが即座に破壊されるような破壊のリスクを気にする必要がないことである。これはITERには当てはまらない。
このリスクは、このプロジェクトを非常に深刻に妨害している。ITERがどのように設計されているかを見れば、部品の交換が困難な問題になる可能性がある。破壊の主なターゲットとなる部品は...