制御された核融合についてはさらに良いニュースがあります。人類はこの呪いをいつ打ち破るのでしょうか？ 3つの大きな問題が未解決のまま

著者: 甘淑東 (科学ロケットおじさん)

2023年12月1日、世界最大の実験用核融合炉JT-60SAが日本で正式に点火され、運転を開始しました。それで皆さん、人類を阻んできた呪い、つまり制御された核融合があと 50 年待たなければならないという呪いは、ついに解かれるのでしょうか?よく見てみると、それほど単純ではないことがわかりました。ニュースのタイトルにあるいくつかのキーワード「実験的」にはまだ注意を払う必要があります。はい、欧州連合と日本が共同で建設したこの制御核融合炉はまだ実験装置にすぎません。達成する必要があるのは、フランスでまだ建設中であり、世界的な注目と努力を集めている兄貴分である国際熱核融合実験炉（ITER）プロジェクトに、より先駆的な実験データと技術検証サポートを提供することです。本質的には、両者の間に違いはありません。どちらもトカマクと呼ばれる制御された核融合装置であり、「ドーナツ」とも呼ばれます。唯一の違いは、日本が今まさに運用を開始したドーナツは、フランスが2035年までに運用する予定のドーナツの6分の1に過ぎないということだ。

では、制御核融合とは一体何なのでしょうか?トカマク装置とは何ですか? JT-60SAは具体的に何を検証したいのでしょうか?発電した電気を使えるようになるまで、本当に50年も待たなければならないのでしょうか？ ......等々。このような疑問が頭の中に浮かんできます。さて、今日の私たちの目標は、それらを皆さん​​にわかりやすく説明することです。

まず、制御核融合とは何かについてお話ししましょう。簡単に言えば、これは太陽内部でエネルギーが生成される方法を模倣したもので、通常は水素、重水素、三重水素の2つの同位体である2つの軽い元素を融合してより重い元素を作り、大量のエネルギーを放出します。このプロセスでは、軽い元素の原子核が非常に強く接近するため、原子核間の反発力が克服され、融合します。制御された核融合を実現するには、まず重水素と三重水素の原子核を極めて高温に加熱してプラズマと呼ばれる状態に変える必要があります。プラズマは荷電した原子核と電子で構成されたガスです。その温度は太陽の中心部よりも高温の摂氏数億度に達することもあります。このような温度では、重水素原子と三重水素原子の核は非常に高速で動き、時には互いに衝突することもあります。衝突が十分に強い場合、それらは結合してより重い原子核、つまりヘリウムを形成します。この過程で、質量の一部が消滅し、エネルギーに変換されます。このエネルギーは核融合によって生み出され、発電やその他の目的に使用することができます。そういえば、電気を生み出す方法はたくさんあるのに、なぜ私たちは核融合をそんなに好きなのでしょうか?まとめると、制御核融合には他にはない次のような利点があるからです。制御核融合には次のような利点があります。まず、豊富な資源。制御核融合の主な燃料は、水素の同位体である重水素と三重水素です。重水素は地球の海水中に高濃度で存在し、三重水素はリチウムと中性子の反応によって生成されます。リチウムも広く分布している元素です。地球の海水中の重水素をすべて核融合反応に使用した場合、放出されるエネルギーは人類が数百億年にわたって使用するのに十分な量になると推定されています。 2つ目は、環境に優しいことです。制御された核融合の反応生成物は放射能汚染のないヘリウムです。温室効果ガスやその他の有害物質は発生せず、長寿命の核廃棄物も発生せず、基本的に環境を汚染しません。 3つ目は、安全で信頼できることです。制御された核融合を維持するには、極めて高い温度と圧力が必要です。故障や事故が発生すると、反応は自動的に停止します。爆発やメルトダウンの危険はなく、周辺地域への放射線被害もありません。第四に、経済パフォーマンスが優れていることです。制御された核融合のエネルギー出力は、エネルギー入力よりもはるかに大きくなります。エネルギー利得係数、つまりQ値は10倍以上に達し、つまり50メガワットのエネルギー入力を出力できます。これは、制御された核融合は運用コストと保守コストが低く、安価な電力を供給できることを意味します。

ただし、上記はすべて理想です。実際の制御された核融合炉では、正のエネルギー増加を達成することは非常に困難です。実際、JT-60SA が行う必要があるのは、ITER が正のエネルギー利得の問題を検証するのを支援することです。 4階建てのこの装置は、2億度に加熱されたプラズマを約100秒間維持するように設計されているが、これは従来の大型トカマクよりもはるかに長い。しかし、プラズマが安定して継続的かつ経済的に動作し、電力を出力できるようになるまでには、まだ長い道のりがあります。ところで、この話をすると、トカマク装置とは何かを説明する必要があります。これは、磁気閉じ込めと呼ばれる制御された核融合を実現するための技術的な方法の 1 つです。

トカマク装置はドーナツのように見えます。なぜドーナツと呼ばれるのでしょうか？なぜなら、それは実際には磁気コイルに囲まれたリング状の核融合室だからです。これらは非常に強力な磁場を生成し、地球上のすべての耐熱材料の限界をはるかに超える温度に加熱された高温プラズマを捕捉して、適切な密度と温度を維持し、反発力を破壊して原子核間の重合を達成するための条件を作り出すことができます。しかし、現在解決すべき大きな問題がいくつかある。まず第一に最も重要なのは、どうやって火を燃やし続けるかということだ。最初に大量のエネルギーを投入してプラズマを加熱し、核融合を点火することはできますが、そのような核融合が自力で持続できず、エネルギーを投入し続けなければならない場合はどうすればよいでしょうか。ただ楽しむために火を灯すだけですか?明らかにそうではありません。そして、これこそが私たちが解決したいこと、つまりエネルギーのプラスの獲得なのです。しかし問題は、プラズマを閉じ込める磁場がどれだけ強力で、どれほどよく形成されていても、必ず一部は通り抜けてしまうということだ。磁力線の周りを回る正の原子核またはイオンは衝突して散乱するため、必然的に磁気閉じ込め場から外れてしまいます。燃料が多すぎると、燃焼を継続できなくなります。唯一知られている解決策は、原子炉を大きくして、散乱したイオンがプラズマの境界に到達するまでの時間を長くし、その間に核融合をさらに起こせるようにすることだが、これは少々単純すぎる。これで、ITER が 6 階建てで、JT-60SA が 4 階建てである理由がわかります。プラズマ用のより大きなパッケージングスペースを提供するように設計されています。しかし、この大きさでもプラズマの連続燃焼を維持し、エネルギーを生成するにはまだ不十分です。より大きなテストデバイスとしてのみ考えることができます。さて、この質問はまだ解決されていませんが、今度はより現実的と思われる 2 番目の質問が来ます。たとえ内部で核融合を点火し続けることができたとしても、それが生み出すエネルギーをどうやって取り出すのでしょうか?ああ、これはまた冗談です。人間の技術がここまで発達したとしても、エネルギーを取り出すには水を沸騰させることに依然頼らなければなりません。トカマクは、重水素と三重水素のヘリウムへの核融合反応を利用してエネルギーを生成し、エネルギーの大部分は高速で高エネルギーの中性子の形で放出されます。中性子は電荷を持たない電気的に中性の粒子であるため、プラズマを加熱せず、磁場によって制限されません。一度生産されると、どこにでも発射されます。そのため、私たちは特別に厚い保護カバーを用意し、それを当てて保護カバーを加熱し、その温度を利用して水を水蒸気に蒸発させ、タービンと発電機に電力を供給して必要な電気を生産します。しかし、問題は、中性子の絶え間ない照射により遮蔽材が時間の経過とともに劣化し、高放射能になり、除去、交換、廃棄に深刻な問題が生じることです。私たちはこれをあまり明確に考えていませんし、それほどきれいではないように思えますよね?さて、第三に、核燃料の獲得も問題です。現在、私たちは重水素-三重水素核融合反応を使用しています。これは、あらゆる核融合燃料の中で最も低いエネルギー状態と最も低いプラズマ温度で発生するため、点火しやすく、点火を維持するのも容易だからです。理論上は地球上に重水素と三重水素が多く存在しますが、実際には自然界に三重水素は大量には存在しません。原子炉で生産する必要があります。現在の生産能力では、実際に電気を生み出す、より大規模で制御された核融合発電所はおろか、ITER に継続的に電力を供給するのに十分なトリチウムを生産することはできません。

したがって、今回JT-60SA原子炉は正式に点火され稼働したとはいえ、制御核融合の呪縛を解くにはまだ長い道のりが残っている。

さて、日本のJT-60SAについて話したところで、世界の他の国々が制御核融合に向けてどのように取り組んでいるかを見てみましょう。まず中国についてお話しましょう。現在、完全超伝導トカマク型核融合実験装置「EAST」と制御型核融合研究装置「China Tokamak III」を保有しています。 EAST は、世界で初めて建設され運用される完全超伝導非円形断面核融合実験装置です。かつては1億2000万度で101秒間稼働するという世界記録を樹立した。トカマク3は我が国が独自に設計、建造、運用する最先端の核融合実験装置であり、1億5000万度の高温プラズマを生成することができます。次は米国で、米国には国立点火施設（NIF）とスタンフォード線形加速器センターのLCLS-II X線レーザーがあります。 NIF は慣性閉じ込め方式を用いて核融合を実現する世界最大のレーザー装置です。 2022年1月には、核融合燃料の自己出力エネルギーが入力熱を上回る、いわゆる「燃焼プラズマ」という現象を達成しており、これは制御された核融合への道のりの重要なマイルストーンとなる。 LCLS-II は世界で最も明るい X 線レーザーであり、核融合プラズマの微細構造とダイナミクスを観察および制御することができます。そして日本には、JT-60SAに加えて、国際核融合物質照射実験施設IFMIFもあります。これは、高エネルギー中性子ビームを使用して核融合反応の照射環境をシミュレートし、核融合炉に適した材料の研究開発を目的とした国際協力プロジェクトでもあります。

もちろん、上記の主要な制御核融合研究プロジェクト以外にも、ドイツ、イギリス、フランス、韓国、インド、ロシア、パキスタン、北朝鮮、イスラエルなど、世界には関連研究を行っている国や組織がいくつかあります。制御核融合は大きな可能性と課題を抱えた科学的探究であることがわかります。これを実現するには世界的な協力と革新が必要です。さらに50年も待たされることがないように願っています。

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

著者: ガン・シュドン

査読者: 中国科学院国家宇宙科学センター研究員、孫志斌

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司