レーザー核融合ロケットの磁気ノズルに関するスケーリング則確立と最適化

• Project/Area Number: 25420852
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Aerospace engineering
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 中島 秀紀 九州大学, 総合理工学研究科(研究院), 教授 (60112306)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山本 直嗣 九州大学, 総合理工学研究科(研究院), 准教授 (40380711)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2015: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2014: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2013: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: 核融合 / ロケット / 磁気ノズル

Outline of Annual Research Achievements

核融合は宇宙推進に非常に適している。なぜなら、核融合反応では、他の化学反応や核分裂反応に比較して、単位質量あたりに発生するエネルギーが非常に大きいため高温・高速のプラズマが容易に得られる。核融合反応で生成した膨大なエネルギーを持つプラズマを、磁気ノズルにおいて磁場との相互作用を利用し（固体壁との相互作用無く）運動方向を変えることにより，推力を得ることが出来る。従って、従来の推進機では不可能な、高い排出速度（即ち高い比推力）と大きな比出力を同時に達成可能であり、核融合プラズマを利用した宇宙推進システム(ロケット)は、画期的な高速推進システムとして非常に有望である。磁気ノズルにおいては、磁場がバネの役割をし、プラズマを跳ね返し、放出することによって、推力が発生すると考えられている。
磁気ノズル中のプラズマ挙動に関して、我々は長年にわたり数値解析により解明してきた。また、実験による原理実証を通しても解明する努力を続け、ようやく大阪大学レーザーエネルギー学研究センター（レーザー研）の装置（激光）を用いて、磁気ノズル中のプラズマ挙動について模擬実験（レーザー生成プラズマを使用）を行い、世界に先駆けてスラスト・スタンドにより推力を直接的に評価し、磁気ノズルが実際に働くことを証明した。 残された課題は、実用機にいたる設計の指針となるスケーリング則を確立すること、また、推進効率の大きな最適な磁気ノズル形状を探ることである。
残された課題は、我々のこれまでの実験を発展させて、最終的には、実用機にいたる設計の指針となるスケーリング則を確立すること、また、推進効率の大きな最適な磁気ノズル形状を探ることである。
本年度は、激光装置を用いて、磁場中でのプラズマ挙動を観測した。磁場強度が強くなるにつれ、プラズマ膨張が押しとどめられるのを明確にした。この成果は、現在論文化の作業中である。

Research Products

• [Journal Article] Acceleration of Miniature Targets by Kilo-Tesla Magnetic Field (2015)
  • Author(s): N. Saito, et al
  • Journal Title: Transactions of the JSASS / Aerospace Technology Japan Volume: 未定
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Effect of Magnetic Field Strength on a Magnetic Thrust Chamber System (2014)
  • Author(s): Maeno, A. et al.
  • Journal Title: Journal of Propulsion and Power, Volume: 31 Pages: 54-61
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 強磁場による新しい加速方法 (2014)
  • Author(s): 齋藤直哉
  • Organizer: プラズマ・核融合学会 九州・沖縄・山口支部第18回支部大会
  • Place of Presentation: 熊本市
  • Year and Date: 2014-11-20 – 2014-11-21
• [Presentation] Study of the Plasma Behavior in One-Tesla Magnetic Field (2014)
  • Author(s): N. Saito
  • Organizer: Plasma Conference 2014
  • Place of Presentation: 新潟市
  • Year and Date: 2014-11-18 – 2014-11-21
• [Presentation] Analysis of Plasma Behavior in a Magnetic Thrust Chamber (2014)
  • Author(s): Saito, N. et al.
  • Organizer: Asian Joint Conference on Propulsion & Power
  • Place of Presentation: 長崎市