磁気ミラー
- 正式名称・表記
- 磁気ミラー
- ENGLISH
- Magnetic mirror
磁気ミラーは、強さの変わる磁場で荷電粒子を反射させる閉じ込め方式です。反射の条件、逃げる粒子、WHAMとの関係を説明します。
磁場に「ふた」を作る
磁気ミラーは、中央より両端の磁場を強くして、プラズマを構成する荷電粒子の一部を折り返す仕組みです。鏡面や固体の壁に粒子をぶつけるわけではありません。粒子が磁力線に沿って強い磁場へ進むとき、運動の向きが変わり、元の側へ戻ることから「ミラー」と呼ばれます。
トカマクのように磁場の経路を環状に閉じる考え方とは異なり、基本的なミラー装置は両端が開いた直線状です。そのため、粒子を中央に保つことと、端から出る粒子・熱を扱うことの両方が重要になります。
何が起きると反射するのか
荷電粒子の運動は、磁場に沿う成分 v∥ と、磁場に垂直な旋回成分 v⊥ に分けられます。磁場が一回の旋回中に大きく変わらず、旋回半径が磁場の変化する長さより十分小さいとき、磁気モーメント μ=m v⊥²/(2B) はほぼ保存されます。m は粒子の質量、B は磁場の強さです。
ここで時間変化する電磁場や電位差の効果を無視すると、粒子の運動エネルギーも一定です。強い磁場へ進むと垂直方向のエネルギーが増え、その分、平行方向のエネルギーが減ります。v∥ がゼロになる地点で粒子は折り返します。静的な磁場そのものが粒子にエネルギーを追加しているのではありません。
すべての粒子を止められるわけではない
磁場とほぼ平行に動く粒子は、垂直方向の運動が小さく、反射せず端へ抜けることがあります。このような速度方向の範囲がロスコーンです。いったん反射できた粒子も、衝突などで向きが変われば逃げ得ます。したがって、反射できるという一粒子の説明だけでは、プラズマ全体を長く安定に閉じ込めた証明になりません。
実例と読み解き方
米ウィスコンシン大学マディソン校の WHAM は、高温超電導磁石を利用する磁気ミラー実験装置です。大学の公開情報では、2024年7月に初プラズマを達成し、Realta Fusion と連携して研究が進められています。実験装置の存在と、商用発電の実証は別の段階です。
磁気ミラーを理解する次の手掛かりは、端と中央の磁場の比を表すミラー比、逃げる方向を示すロスコーン、電位による閉じ込めも組み合わせるタンデムミラーです。