Fusion reactions in stars

Magnetic Confinement

磁場閉じ込めでは、高温プラズマの粒子とエネルギーは磁場を用いて保持される。 磁場中の荷電粒子には、粒子の速度と磁場の積に比例したローレンツ力が働く。 この力によって、電子やイオンは磁力線の方向に対して螺旋状に回転し、粒子を閉じ込めることができる。 磁場のトポロジーが有効な磁気井戸を形成し、プラズマと磁場の圧力バランスが安定すれば、プラズマを物質境界から離して閉じ込めることができます。 熱と粒子は磁場に沿って、あるいは磁場を横切って輸送されるが、エネルギー損失は2つの方法で防ぐことができる。 1つは、磁力線の2カ所で磁場の強さを強くすることである。 この2点の間に含まれる荷電粒子を反射させることができ、これを「磁気ミラーリング」と呼ぶ。 基本的に直線的なシステムで、両端に磁場を強くした領域がある場合でも、粒子がミラーリングポイントに近づくと、粒子間の散乱により両端から粒子が逃げ出すことがある。 5671>

プラズマを安定に閉じ込めるための磁場トポロジーを作るために外部磁石を配置したり、プラズマに誘導される電流によって発生する磁場と併用することも可能である。 1960年代後半、ソビエト連邦は核融合反応を実用的なエネルギー生産に利用するために大きく前進した。 トカマクと呼ばれる装置で、プラズマの温度（約30億K）とその他の物理的パラメータを高くすることに成功したのだ（図参照）。 トカマクとはトロイダル磁場閉じ込め装置のことで、外部から発生するドーナツ状の磁場とプラズマの中を流れる電流によって、プラズマを安定に保つことができる。 1960年代後半以降、トカマクは世界の磁場核融合研究の中心となっているが、ステラレータ、コンパクト・トーラス、逆磁場ピンチ（RFP）などのアプローチも追求されている。 これらの方式では、磁力線がトーラスの周りを螺旋状に進むため、磁力線が螺旋状の軌道を描くことになります。 トカマクでは螺旋のピッチが弱いため、磁力線はトーラスのポロイダル方向（中心孔を通る方向）に緩く巻かれることになります。 5671>

磁場閉じ込めプラズマは、核融合が活発になる温度、通常7500万K以上（4，400eVのエネルギーに相当）に加熱する必要があります。 これは、高周波やマイクロ波をプラズマ粒子に結合させる、中性原子の高エネルギービームを入射して電離させプラズマを加熱する、プラズマを磁気的に圧縮する、プラズマに電流を流すと発生するオーミック加熱（ジュール加熱とも呼ばれる）などで実現できる。

トカマクの概念を用いて、米国、欧州、日本の科学者や技術者は、1980年代半ばから大型の実験用トカマク装置を用いて、実用的な核融合発電に必要な温度、密度、エネルギー閉じ込めの条件を達成するようになりました。 その結果、EUの欧州合同トーラス（JET）、日本のトカマク60（JT-60）、そして1997年までは米国のトカマク核融合試験炉（TFTR）などが採用された。 実際、TFTRとJETの両装置では、重水素とトリチウムを用いた実験で10メガワット以上の核融合出力が得られ、プラズマそのものがエネルギー的にブレークイーブン状態になっていた。 トカマクで達成されたものに近いプラズマ状態は、1990年代にドイツと日本の大型ステラレータ装置でも達成されている

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