人類が追い求める究極のエネルギーがこの恐ろしい武器に秘められている

最近、わが国の新世代人工太陽「中国トルックス3号」の科学技術の大きな進歩や、核技術に関するいくつかの出来事の発生により、人類の「究極のエネルギー」技術である制御核融合に多くの人が注目し始めています。

多くの人が興味を持っているのは、なぜ核融合が人類にとって「究極のエネルギー」技術と呼ばれているのかということです。核融合開発の歴史はどのようなものですか？制御された核融合を制御するのはなぜ難しいのでしょうか?エネルギー問題を本当に解決するには、核融合をどの程度まで達成する必要があるのでしょうか?これらの問題について以下で説明しましょう。

クズカの母

1960年の国連総会で、フルシチョフはアメリカに対し、アメリカ人に『クズカの母』を見せると約束した。 1961年10月30日、アメリカ人はそれを目撃した。

この日、米国地質調査所はノヴァヤゼムリャ近郊でマグニチュード5程度の地震が発生したことを発見した。しかしすぐに、米国の偵察機が、これは地震ではなく「クズカの母」であることを発見した。

「クズカの母」は、中国語の「色を見せてあげる」と同じように、ソ連の俗語です。今回、ソ連がアメリカに見せたかったのはAN602爆弾だったので、この爆弾はソ連では「クズカの母」、西側では「皇帝爆弾」と呼ばれていました。

画像出典: Wikipedia

ソ連は当初、「クジカの母」をTNT火薬換算で1億トンの超核爆弾と計画していた。

しかし、当時の1億トンの核爆弾の設計では、比較的広い範囲に放射性降下物が発生する可能性がありました。さらに、この規模の爆弾を投下した後は、パイロットには爆発現場から脱出する時間が足りず、基本的に帰還のチャンスはないだろう。そこでソ連は爆弾の設計を改良し、爆発力を半分に減らした。

アメリカ人が目にしたのは「クズカの母」の弱体化した姿だった。しかし、弱体化されたバージョンであっても、それは人類史上最強の爆弾であり、爆発力は5000万トンに相当し、「リトルボーイ」原子爆弾の3800倍、第二次世界大戦におけるすべての通常爆弾の総エネルギーの10倍に相当します。

「クズカの母」が爆発したとき、直径がエベレストの高さ（直径8キロ）に匹敵する火の玉が発生し、核爆発の閃光は1,000キロ離れた場所でも見えた。この爆発により、高さ67キロのエベレスト山の8倍近く、頂上部の幅97キロの巨大なキノコ雲が発生した。

なぜこのような力を持つのかというと、別の種類の核反応、つまり核融合エネルギーによって生成されるエネルギーを利用しているからです。

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核融合とは何ですか?

核融合とは、2 つの軽い原子の核が融合して 1 つの重い原子核になることです。このプロセスでは大量のエネルギーも放出されます。同じ重量の核融合燃料（通常は水素同位体である重水素と三重水素）は、核分裂の 4 倍のエネルギーを生み出すことができ、これは石油や石炭を燃焼させるよりも 400 万倍高いエネルギーです。 [1]

太陽のエネルギーは核融合によって生成されます。画像出典: Wikipedia

しかし、核融合は簡単には起こりません。

原子構造について話したとき、原子核はすべて正に帯電していると述べました。 2 つの原子核が衝突して融合するには、反発力を克服して原子核を十分に近づける必要があります。

これには、多数の原子核を圧縮してそれらの融合の可能性を高めるために、超高温と超高圧を供給することが必要です。

そのような条件は宇宙で見つけることは難しくありません。たとえば、太陽や他の恒星の内部では、非常に大きな圧力と高温によって核融合反応が持続します。しかし、地球の表面上でそのような条件を作り出すのは容易ではありません。

原子爆弾を使って核融合を起こす

原子爆弾が爆発すると、爆弾の中心部では数千万度の温度と数十億気圧の圧力が発生します。

そこで、原子爆弾の核の横に核融合物質を置き、原子爆弾の爆発エネルギーを利用すれば、核融合を起こすことができるのではないかと考えるのである。

1951 年 5 月、「ジョージ」と呼ばれる実験用爆弾がテストベンチに載せられました。原子爆弾の核には、核分裂を起こす物質のほかに、液体の重水素も入っていた。科学者たちは、これを利用して原子爆弾が核融合を引き起こすことができるかどうかをテストしたいと考えている。その結果、原子爆弾をはるかに超える爆発力が発せられ、原子爆弾を使って核融合を起こすことが可能であることが確認された。

ジョージが爆発したシーン、画像出典：Wikipedia

最も一般的に使用される核融合反応は水素同位体である重水素と三重水素の核融合反応から生じるため、このタイプの核融合兵器は水素爆弾とも呼ばれます。

水素爆弾は核融合を利用しているが、それは制御されていない核融合であり、兵器としては使用できるが、エネルギー源としては使用できない。

それをエネルギーとして使いたいのであれば、この強力なエネルギーを「飼いならす」必要もあります。

制御された核融合

核融合は非常に極端な条件下でのみ発生するため、このエネルギーを「制御」することは極めて困難です。それは主に以下の側面に現れます。

まず第一に、核融合による発電には条件が厳しすぎる。フェルミの計算によれば、核融合を利用して発電するためには、プラズマの温度を約5000万度まで加熱する必要がある[2]。しかし、地球の自然環境には、このような高温環境は存在しません。

もちろん、科学者は、電界、粒子ビーム、電波振動（電子レンジの原理に似ている）、磁気振動加熱などの技術的手段を使用して、このような高温環境を作り出すことができます。

しかし、そのような環境を作るには多くのエネルギーが必要です。一方、加熱されたプラズマを封じ込める物質がないという問題もあります。

現在までに知られている最も高い融点を持つ物質はタンタルハフニウムカーバイド（Ta4HfC5）で、その融点は4215℃です。この融点は加熱されたプラズマの融点とは大きく異なります。

この問題を解決するために、現在最も成熟した方法は、プラズマを閉じ込めるためにトカマク装置を使用することであり、これは核融合炉の最も有望な容器でもあります。

トカマク装置の原理。画像出典: Wikipedia

トカマク装置は磁場を使用してプラズマを装置内に閉じ込め、連続的に流れるリングを形成します。もちろん、現在の技術では核融合反応を自立的に行うには不十分です。プラズマ流を継続的に加熱するための補助加熱システムも必要です (通常は加熱に中性粒子ビームを使用します)。

現在、我が国はトカマク装置の開発において世界の最先端を走っています。

2021年5月、中国科学院合肥物理科学研究所の完全超伝導トカマク型核融合実験装置は、1億2000万度で101秒間、1億6000万度で20秒間稼働するという記録を達成した。

2021年12月30日には、約7000万度で1056秒間稼働し、高温プラズマの最長時間稼働記録を樹立した。

2023年4月、完全超伝導トカマク型核融合実験装置は、403秒間の定常高閉じ込めモードプラズマ運転に成功し、再び世界新記録を樹立しました。

画像提供：新華社

この画期的な成果にもかかわらず、核融合を利用して発電できるようになるまでには、まだ長い道のりがあります。

実行後、別のキー値があります

核融合発電の分野では、Q値という非常に重要な指標があります。

核融合炉によって放出されるエネルギーと消費される外部エネルギーの比率を Q 値と呼びます。 Q 値が 1 に等しい場合、核融合反応によって生成されるエネルギーが消費される外部エネルギーに等しいことを意味します。

しかし、現時点では自己発電を維持できるというわけではありません。一般的に、Q値が5より大きい場合、核融合炉は自立して稼働できると考えられています。 [3]

しかし、熱エネルギー、運動エネルギー、電気エネルギーの変換を考慮すると、原子力発電所が採算が取れるためにはQ値が10を超える必要があることが国際的に認められています。商業用の核融合発電所になるためには、Q値が30を超える必要があります。

これまで人類が達成した最高のQ値は0.67で、理論上の最大値は1.25と推定されています（日本のJT-60は実験に重水素-重水素を使用しています。重水素-三重水素に換算すると理論値は1.25です）。この値は、核融合炉の自立性や発電能力にはまだまだ程遠いものです。

しかし、核融合発電の誘惑は大きすぎる。それと従来のエネルギーの違いは、星と惑星の違いのようなものです。この恒星レベルのエネルギーを制御できれば、人類の文明は大きく前進するでしょう。

そのため、世界中の多くの国の科学者もこのエネルギーの開発に積極的に取り組んでいます。例えば、世界35カ国が参加するITERプロジェクトでは、フランスで実験室や各種装置の建設が始まっています。完成すれば世界最大の核融合装置となる。 2036年にはフルパワー核融合実験を開始する予定で、5～10分間Q値10以上の運転が実現できる予定だ。 [3]

ITER建設現場、2023年6月2日。画像出典：iter.org

しかし、ITER プロジェクトは現在、工学技術の面で大きな課題に直面しています (クリックしてご覧ください:「1,565 億元! 史上最も高額な研究プロジェクト、その目的は一体何?」)。

人類が追い求める「究極のエネルギー」である制御核融合の実現には、まだまだ長い道のりが残されていることがわかります。さまざまな国の科学者が集まって協力したとしても、予期せぬ困難に直面することがよくあります。人類が今世紀にこのエネルギーを「制御」できるかどうかはまだ分からない。

参考文献
[1] https://www.iaea.org/newscenter/news/what-is-nuclear-fusion
[2] マクラッケン、ギャリーストット、ピーター（2012）。核融合：宇宙のエネルギー。アカデミックプレス。 978-0-12-384657-0.
[3] https://www.iaea.org/sites/default/files/6211011zt.pdf

企画・制作<br /> 著者丨サイエンススクラップス ポピュラーサイエンス 制作チーム 編集者丨崔英浩