融合ロケット - 百科事典

融合ロケットは、核融合推進力によって動くロケットの理論的な設計であり、大きな燃料供給を必要とせずに宇宙空間で効率的かつ持続的な加速を提供することができる。この設計は現在の技術を超える核融合電力技術と、もっと大きくて複雑なロケットが必要です。

融合核脉冲推進は、核融合エネルギーを利用して推進力を提供する方法の一つです。融合の主な利点は非常に高い比推進力ですが、主な欠点は（おそらく）大きなレーザー炉の質量です。融合ロケットは分裂ロケットよりも少ない放射線を生成する可能性があり、保護のための質量を減らすことができます。プロジェクト・オリアンに提案されたように、氢爆弾を利用して融合ロケットを構築するのが最も簡単ですが、そのような宇宙船は巨大で、部分核実験禁止条約がその使用を禁止しています。そのため、爆弾ベースのロケットはおそらく宇宙空間でのみ運用される限定されます。別のアプローチは、融合から電力を生成して電気推進（例えば、イオン推進）を使用する方法です。

電力生成と直接推進
宇宙船の推進方法（例えば、イオン推進機）は、電気を必要としますが、非常に効率的です。ある場合には、生成できる電力量に制約されています（例えば、質量加速機）。核融合電力で動作する電気発生機は、そのような船を駆動できます。欠点の1つは、従来の電力生成は低温エネルギーサンクが必要で、宇宙船では難しい（つまり重い）ことです。融合生成物の動能を電気に直接変換することで、この問題を軽減できます。

非常に魅力的な可能性の一つは、融合排気をロケットの後ろから吹き出して、中間の電力生成なしで推進力を提供することです。これは、磁界鏡などの特定の拘束スキームよりも他のスキーム（例えば、トカマク）でより簡単です。また、「高度な燃料」（無中性子融合を参照）にも適しています。ヘリウム-3推進は、ヘリウム-3原子の融合をエネルギー源として使用します。ヘリウム-3は、2つのプロトンと1つの中子を持つヘリウムの同位体で、レーザー炉でデュテリウムと融合させることができます。その結果生じるエネルギーリリースは、宇宙船の後ろから推進剤を噴射することを可能にします。ヘリウム-3は、主に月の豊富な存在量によって宇宙船のエネルギー源として提案されています。科学者たちは、可利用なヘリウム-3が月には100万トン存在すると推定しています。D-T反応から生成される電力の20%しかこのように使用できません；他の80%は中子として放出され、磁界や固体壁によって導向することができず、推進力としての導向が難しく、保護が必要になる可能性があります。ヘリウム-3はトリチウムのベータ崩壊によって生成され、トリチウムはデュテリウム、リチウム、またはボルネオから生成できます。

自己維持可能な融合反応が生成できない場合でも、融合を使用して他の推進システム（例えば、VASIMRエンジン）の効率を高めることができるかもしれません。

拘束の代替案


= 磁的 =
融合反応を維持するためには、プラズマを拘束する必要があります。地球上で最も研究されている核融合の構造は、磁界拘束融合の形態であるトカマクです。現在のトカマクは非常に重く、推進力と重量の比が受け入れられないように見えます。NASAのグレン研究所は2001年に「ディスカバリーII」の概念車両設計のために小さな形状比の球状トーラスレーザー炉を提案しました。「ディスカバリーII」は、861トンの水素推進剤と11トンのヘリウム-3-デュテリウム（D-He3）融合燃料を使用して、172トンの乗員を載せた荷物を118日間（または土星への212日間）で木星に届けることができます。水素は融合プラズマの破片によって熱され、推進力を増加させますが、排出速度が低下（348〜463 km/s）し、したがって推進剤の質量が増加します。


= 惯性 =
磁界拘束の主な代替案は、プロジェクト・デイダラスによって提案された惯性拘束融合（ICF）です。小さな融合燃料のピール（直径数ミリメートル）は、電子ビームやレーザーによって点火されます。直接の推進力を生成するために、磁界がプッシュプレートを形成します。理論的には、ヘリウム-3-デュテリウム反応や無中性子融合反応が使用されて、電荷粒子のエネルギーを最大化し、放射線を最小化することができますが、これらの反応を使用する技術的な実現性は非常に疑問です。1970年代の詳細な設計研究であるオリアン駆動やプロジェクト・デイダラス、1980年代には、ロレンス・リバモア国立研究所とNASAがICF駆動の「惑星間輸送アプリケーション車両」（VISTA）を研究しました。これらの円錐形のVISTA宇宙船は、130日間（または地球への帰還時は403日間）で火星軌道に100トンの貨物を届け、地球に帰還することができます。41トンのデュテリウム/トリチウム（D-T）融合燃料と4,124トンの水素推進剤が必要で、排出速度は157 km/sです。非常に大きな必要な質量と、宇宙空間で生じる熱を管理する挑戦は、ICFレーザー炉を宇宙旅行で実現不可能にすることができます。


= 磁化されたターゲット =
磁化されたターゲット融合（MTF）は、磁界拘束融合（例えば、良いエネルギー拘束）と惯性拘束融合（例えば、効率的な圧縮加熱と融合プラズマの壁のない拘束）の最も広く研究されている方法を組み合わせた比較的新しいアプローチです。磁界拘束の方法と同様に、融合燃料は磁界によって低密度で拘束され、プラズマに熱されますが、惯性拘束の方法と同様に、融合はターゲットを急速に圧縮して燃料密度を劇的に増加させ、したがって温度を増加させることで開始されます。MTFは「プラズマ銃」（つまり強力なレーザーではなく電磁加速技術）を使用して、低コストで低重量のコンパクトなレーザー炉を導入します。NASA/MSFCのヒューマン・アウタープランetary Exploration（HOPE）グループは、164トンの荷物を木星の衛星カリストに249〜330日間で届けることができる乗員を載せたMTF推進宇宙船を研究しました。この設計は、前述の「ディスカバリーII」や「VISTA」概念よりも非常に小さくて燃料効率が高いです（排出速度700 km/s）。


= 惯性電静 =
融合ロケットのための別の人気のある拘束概念は、ファーンズワース・ハーシュ融合器やエネルギー・マター変換社（EMC2）によって開発中のポリウェル変種などの惯性電静拘束（IEC）です。イリノイ大学は、100,000 kgの乗員を載せた荷物を210日間で木星の衛星エウロパに届けることができる500トンの「融合船II」概念を定義しました。融合船IIは、10つのD-He3 IEC融合炉で動作するイオンロケット推進機（排出速度343 km/s）を使用します。この概念は、木星系への1年間の往復旅行に300トンのアルゴン推進剤が必要です。ロバート・ブッサードは、1990年代にその技術的な適用について一連の技術論文を発表し、Analog Science Fiction and Fact出版物に掲載された記事で、トカマクが非常に効果的な融合ロケットになる方法を説明しました。


= 反物質 =
さらに推測的な概念は、反物質触媒核脉冲推進で、反物質を使用して分裂と融合反応を触媒し、非常に小さな融合爆発を生成することができます。1990年代には、ペンシルバニア州立大学でAIMStarという名前で失敗した設計作業が行われました。このプロジェクトは現在の生産能力を超える反物質が必要で、技術的な障害を越える必要があります。


開発プロジェクト
直接融合推進 – 概念ロケットエンジン
MSNW磁気惯性融合駆動ロケット


参考事項
ヘリウム-3
核推進
ロケット推進技術（曖昧さ回避）


参考リンク
Graham-Rowe, Duncan (23 January 2003). "Nuclear fusion could power NASA spacecraft". New Scientist. Archived from the original on 31 August 2023. Retrieved 15 August 2021.
Cassibry, Jason; Cortez, Ross; Stanic, Milos; Seidler, William; Adams, Rob; Statham, Geoff; Fabisinski, Leo (2012). The Case and Development Path for Fusion Propulsion (PDF) (Technical report). University of Alabama, Boeing, Marshall Space Flight Center, ERC Inc., ISS Inc. Archived from the original (PDF) on 14 November 2012.
Slough, John (25 March 2019). Hall, Loura (ed.). "The Fusion Driven Rocket: Nuclear Propulsion through Direct Conversion of Fusion Energy". NASA. Archived from the original on 1 June 2023. Retrieved 15 August 2021.