核融合・エネルギー特論

Fusion and Energy Sources

994D33Q

43EEENE502

宇津　栄三

Eizo Uzu

2023年度後期

2023 Latter Semester

金曜2限

Friday 2nd. Period

工学研究科　電気工学専攻

Department of Electrical Engineering, Graduate School of Engineering

2.0単位

講義

Lecture

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対面授業
On-site class

原子力発電，核融合発電及びその関連事項について，講義形式で対面授業を行う．
原子核について初学者の学生でも理解できるように，原子核理論の基礎から核分裂や核融合の反応からエネルギーを得る原理を解き起こす．
反応炉の構造や仕組みについて細かく解説するのではなく，なぜそのような構造や仕組みになっているのか，またどの様な問題点があってそれをどの様に解決しようとしているのかを，理論物理学の観点から説明する．


We will conduct an on-site class on nuclear power generation, fusion power generation, and related topics.
The course begins with the basics of nuclear theory to explain the principles of energy production from nuclear reactions, including fission and fusion, in a way that even beginning students can understand.
Rather than explaining the structure and mechanism of the reactor in detail, the lecture will explain why the structure and mechanism are the way they are, and what problems exist and how they are going to be solved from the point of view of theoretical physics.

闇雲に核物質や放射線を怖がるのを止めて，正しい知識のもとで正しく怖がることができるようになること．

To stop blindly fearing nuclear materials and radiation, and develop the ability to fear them correctly with the foundation of proper knowledge.

核分裂(原発の基礎)と核融合の違いと，それらによってエネルギーが生じるメカニズムの違いを理解する．それを元に原発の反応炉の仕組みや，核融合反応炉の仕組みや改善点を理解する．

We understand the difference between fission and fusion and the difference of the mechanism of generating energy between by fission and by fusion.

・一番最初の動画である「はじめに」や「レポートの書き方」を軽視して単位を落としたりしないように．
・遅刻レポートは評価に含まないので，気をつけるように．

・Don't fail the class by underestimating the first videos "はじめに" and "レポートの書き方".
・Late reports are not included in the evaluation.

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まずは動画をよく見ること．不明な点はまずは自分で調べること．
それでもわからない場合は質問すること．

Watch the video carefully, and if you have any questions, first check them yourself.
If you still don't understand, ask them during the class hour or post to the question box.

半期の間に2回の課題を課し，この授業の成績はそれらの評価を総合して付ける．
課題はLETUSに掲示する．
提出先もLETUSで，ファイルの形式は Word，pdf，jpg，gif，png に限る．
遅刻レポートは受け取らないので，提出期限に注意すること．

Two assignments will be given during the semester, and the grade for this class will be given by combining the evaluations of those assignments.
The assignments will be posted on LETUS.
The submission destination is also LETUS. The file format is limited to Word, pdf, jpg, gif, and png.
Note that late reports will not be accepted, so pay attention to the submission deadlines.

・S：到達目標を十分に達成し、極めて優秀な成果を収めている
・A：到達目標を十分に達成している
・B：到達目標を達成している
・C：到達目標を最低限達成している
・D：到達目標を達成していない
・-：学修成果の評価を判断する要件を欠格している

・S：Achieved outcomes, excellent result
・A：Achieved outcomes, good result
・B：Achieved outcomes
・C：Minimally achieved outcomes
・D：Did not achieve outcomes
・-：Failed to meet even the minimal requirements for evaluation

N

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教科書および一部の参考書は、MyKiTS (教科書販売サイト) から検索・購入可能です。
It is possible to search for and purchase textbooks and certain reference materials at MyKiTS (online textbook store).
​https://gomykits.kinokuniya.co.jp/tokyorika/​​​

「フュージョン —宇宙のエネルギー」; マクラッケン，ストット【著】; 村岡 克紀，飯吉 厚夫【訳】; シュプリンガー・ジャパン
「トカマク概論」; ジョン・Ａ．ウェッソン【著】; 伊藤早苗【訳】; 九州大学出版会
その他，量子力学や原子核物理学の著書いろいろ
(特に「トカマク概論」は高価であり，引用ヶ所も少ないので，図書館を利用しよう)

Fusion: The Energy of the Universe (The Complementary Science Series), Garry McCracken and Peter Stott, Academic Press
Tokamaks (International Series of Monographs on Physics), John Wesson, D. J. Campbell, and J. W. Connor, Oxford Univ Pr
and others (books on quantum mechanics and nuclear physics)

1. 原子核の基礎
核反応の際によく使われるエネルギーの単位 eV を解説し，またケルビン温度との関係を示しつつ，核反応の世界(空間的な大きさ，エネルギーとしての大きさ)に関するイメージを涵養する．

2. 原子力発電-1 Nuclear power generation (fission) - 1
核融合及び核分裂によりそれぞれエネルギーが生じる理由を示し，原子力発電に利用される核分裂反応の素過程について理解する．

3. 原子力発電-2 Nuclear power generation (fission) - 2
沸騰水型，加圧水型など，現存する原子力発電プラントの種類を把握し，その違いやコンセプトを理解する．

4. 原子力発電-3 Nuclear power generation (fission) - 3
現在研究開発中の高速増殖炉，トリウム燃料サイクル，などについて理解する．

5. 恒星内部での核融合反応 Fusion reactions in fixed stars
ppチェイン，CNOサイクルの理解を通して，元素生成について理解し，また太陽の内部構造を知る．

6. 核融合発電-1 Nuclear fusion generation - 1
核融合発電に利用される核反応の素過程について理解し，燃料の量的な意味から見た核融合発電の開発がなされている理由を知る．

7. 核融合発電-2 Nuclear fusion generation - 2
プラズマの閉じ込め方式を概観した後，磁場閉じ込め方式のうちの磁場ピンチ方式について理解する．

8. 核融合発電-3 Nuclear fusion generation - 3
トカマク方式を学び，磁場ピンチ方式との違いを理解する．またヘリカル装置について理解する．

9. 核融合発電-4 Nuclear fusion generation - 4
慣性閉じ込め方式，特にレーザー核融合炉の原理，仕組みについて理解する．

10. ローソン条件，自己点火条件-1 Lawson and self-ignition criterion - 1
ローソン条件，自己点火条件を理解するための基本となる，反応断面積及び反応率について理解する．式変形が講義の中心となる．

11. ローソン条件，自己点火条件-2 Lawson and self-ignition criterion - 2
ローソン条件及び自己点火条件の式を導き出すまでの考え方を理解する．

12. 日本に於ける試作炉-1 Experimental fusion reactor in Japan - 1
タンデムミラー型反応炉の例として筑波大学のGAMMA10，トカマク型反応路の例として原子力研究開発機構のJT-60を紹介する．

13. 日本に於ける試作炉-2と実用化に向けた試作炉ITER
核融合科学研究所のLHD(大型ヘリカル装置計画)およびフランスのカダラッシュに作成中のITERを紹介する．

14. 核融合発電の研究：失敗例 Study on nuclear fusion power generation: failure example
常温核融合研究の軌跡を知り，研究者に必要な姿勢を学ぶ．]

15. 核融合反応炉：最近の研究 Study on nuclear fusion power generation: recent progresses
最近の磁場閉じ込め方式核融合反応炉の研究例として，高ベータ化の原理と，球状トカマク型，逆転磁場配位型，スフェロマック型などの紹介をする．
時間があれば，最近の慣性閉じ込め方式の研究例を紹介する．


1. Foundations of Nuclear Physics
Explanation of the unit "eV", of conversion among kg, J, eV, and K, and of spatial and energetic size

2. Nuclear power generation (fission) - 1
Understaniding of elementary processes of the fission reactions used in nuclear power generation based on the mechanism of generating energy by nuclear fusion and fission

3. Nuclear power generation (fission) - 2
Grasping the types of fission reactors such as BWR and PWR

4. Nuclear power generation (fission) - 3
Explanation of the fast breeder reactor, plutonium thermal project, and thorium fuel cycle

5. Fusion reactions in fixed stars
Understanding nucleosynthesis processes by pp chain and CNO cycle, and internal structure of fixed stars

6. Nuclear fusion generation - 1
Understanding elementary processes employed at fusion power generation and the reason why we are developing nuclear fusion power generation from the viewpoint of the amount of fuel.

7. Nuclear fusion generation - 2
An overview of plasma confinement method and explanation of magnetic field pinch

8. Nuclear fusion generation - 3
Description of TOKAMAK and HERICAL (or Stellarator) and understanding the difference among them and magnetic field pinch

9. Nuclear fusion generation - 4
Description of inertial confinement system especially laser fusion reactor

10. Lawson and self-ignition criterion - 1
Understanding cross sections and reaction ratio

11. Lawson and self-ignition criterion - 2
Derivations of Lawson and self-ignition criterion

12. Experimental fusion reactor in Japan - 1
Presentation of example in Japan: GAMMA-10 at University of Tsukuba and JT-60 at Japan Atomic Energy Agency

13. Experimental fusion reactor in Japan - 2 and ITER the plant for practical use
Presentation of example in Japan: LHD at National Institute for Fusion Science, and ITER at Saint-Paul-les-Durance in France

14. Study on nuclear fusion power generation: failure example
Explanation of muon catalyzed fusion, d + 3He reaction, and cold fusion

15. Study on nuclear fusion power generation: recent progresses
Explanation of fundamentals of improving beta and presentation of recent progress such as spherical TOKAMAK, Field-reversed configuration, and Spheromak

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特になし

Nothing special.