私の国の人工太陽が記録を更新し続けているのに、なぜ制御された核融合でランプを点灯することができないのでしょうか?

今年初め、中国科学院合肥市の人工太陽実験装置がもう一つの朗報を報告した。1056秒間の長パルス高パラメータ動作を達成し、これまで何度も破られてきた自身の世界記録を破り、世界をリードしたのだ。

人工太陽は、世界を照らすために人工的に作られた小さな太陽ではなく、太陽内部のエネルギー生成メカニズムを利用して地球上でエネルギーを生産し利用する方法です。実際の科学的な名前は「制御核融合」です。人類文明の進路を変える可能性のあるこのエネルギーを手に入れるために、人類は何十年もの間、あらゆる犠牲を払って奮闘してきました。

しかし、私はここで冷や水を浴びせたい。これまで、太陽は毎日太陽系を明るく照らしてきたが、人工の小さな太陽はランプを灯すことができなかったのだ。

なぜ人類は制御された核融合の研究に努力を惜しまないのでしょうか?

アインシュタインは100年前に質量とエネルギーの方程式の謎を発見しました。人類は物質の質量とエネルギーの関係を理解する上で大きな進歩を遂げました。質量とエネルギーは同等であり、互換性があることはわかっています。あらゆる物質には膨大なエネルギーが含まれています。エネルギーが放出されれば、それは世界を揺るがすものとなるでしょう。

質量エネルギー方程式の式は、E=MC^2 です。ここで、E はエネルギー、M は物質の質量、C は光の速度を表します。このことの意味は、1kg（キログラムまたはキログラム）の物質がエネルギーに変換される限り、9*10^16J（ジュール）のエネルギーが得られ、これは250億キロワット時の電力に相当するということです。

しかし、物質内のエネルギーを変換することは非常に困難です。燃焼などの方法は化学反応レベルに留まるため、質量エネルギー変換率は非常に低いです。例えば、石炭を燃焼して得られる熱エネルギーは質量エネルギー変換率の30億分の1にしか相当しませんが、原油を燃焼して得られる熱エネルギーは質量エネルギー変換率の約22億分の1に相当します。

核融合は、質量エネルギー変換率が約0.7％と、人類がこれまでに発見した最も大きな質量エネルギー変換を実現できる方法です。太陽の中心部からの無限のエネルギー放射は核融合によって放出されます。このプロセスは、4 つの水素原子核が 1 つのヘリウム原子核に融合するプロセスです。

4つの水素原子核の合計原子量は4.03136、1つのヘリウム原子核の原子量は4.0026です。核融合後、原子量は 0.0294 減少し、これは原子量の減少の約 0.718% に相当することがわかります。このように、水素核融合1キログラムあたりの質量損失は7.18グラムに達します。

これらの損失の質はどこへ行ってしまったのでしょうか?アインシュタインの質量エネルギー変換理論によれば、これらの質量はエネルギーに変換され放射されます。毎秒6億トンの水素が太陽の核融合反応に参加し、約430万トンの質量損失がエネルギーに変換され、宇宙に放射されます。このエネルギーは 3.87*10^26J で、100 兆キロワット時の電力に相当します。

太陽はこのように50億年も燃え続けており、今後さらに50億年は燃え続ける可能性があります。地球は太陽エネルギーの22億分の1を受け取っており、これは約1.76*10^17 J/sのエネルギーに相当し、毎秒490億キロワット時の電力に相当し、これは三峡ダム1000万基の総発電量に相当します。このエネルギーは莫大に思えますが、実際には2kg未満の物質から変換されたエネルギーです。

人類は恒星の核融合によって放出される膨大なエネルギーに刺激を受けています。このエネルギー獲得方法を習得できれば、人類文明の発展におけるエネルギー危機は完全に緩和されるでしょう。太陽核融合の燃料は水素であるため、水素は地球上で非常に一般的な元素であり、その埋蔵量は豊富です。

水は水素と酸素で構成されています。地球の海水の埋蔵量は136京トンに達します。海水中の水素1リットルを核融合燃料として使用した場合、生成されるエネルギーはガソリン300リットルに相当します。したがって、太陽が利用している核融合方式を地球上で実験することに成功すれば、人類のエネルギー危機は相当の期間存在せず、人類文明は新たな急速な発展期に入ることになるだろう。

前世紀以来、人類はこの核融合エネルギー、つまり水素爆弾の爆発を手に入れてきました。しかし、水素爆弾の爆発は瞬間的な爆発に過ぎず、戦争や抑止力として使われる以外、人命にはほとんど役立ちません。この力をどのように制御し、太陽のようにゆっくりと放出できるのでしょうか?これが、人類が制御された核融合技術の研究開発に全力を尽くす内なる動機です。

制御された核融合の難しさ

太陽自体は巨大な球状の高温プラズマです。このプラズマは、中心部での核融合によってエネルギーが継続的に放出され、放射と対流によって表面に伝達され、その後宇宙に放出されるプロセスです。私たちの太陽のようなすべての星は同じメカニズムを通じてエネルギーを生成します。

重力の力は、巨大な質量を持つすべての天体を球形に引き寄せ、中心核に向かって継続的に縮小します。太陽の質量は約2*10^30kgです。この巨大な質量の求心収縮圧力により、太陽の中心部に3000億気圧の圧力と1500万度の高温が生じ、太陽の核融合反応が点火され、それが継続します。

核融合による巨大な放​​射圧が質量による重力収縮圧に抵抗し、バランスを形成します。これは太陽の主系列段階であり、約 100 億年続く可能性があります。太陽の中心部での核融合は、巨大な重力収縮圧力の制約下で継続しています。このタイプの核融合閉じ込めは重力閉じ込めと呼ばれます。

この莫大な圧力と高温の組み合わせにより、太陽の中心核にある水素原子から外殻電子が剥ぎ取られ、原子核が露出します。原子核の連続的な衝突と融合により、連続的な核融合が起こります。地球上で太陽の核融合を模倣したい場合、そのような巨大な圧力を作り出すことはできません。地球上で最も圧力が高いのは中心核で、その圧力はわずか 360 万気圧です。これは太陽の中心核の圧力の 10 万分の 1 程度です。水素はどのようにして原子核を露出させることができるのでしょうか?

温度を上げて反応温度を1億度まで上げることによってのみ、水素原子核の外側の電子が剥ぎ取られ、水素原子核が連続的に核融合を形成できるようになります。これにより、いくつかの難しい問題が生じます。まず、どのようにしてそのような高温に到達するか。第二に、この超高温の炎（プラズマ）をどのような容器に入れて閉じ込めるか。そして3番目は、この高温を利用してどうやって電気を生み出すかです。

地球上のすべての物質が耐えられる最高温度は、わずか数千度であることを知っておく必要があります。最も高い温度に耐えられることが知られている単一の金属はタングステンで、融点は 3410°C です。最も高い温度に耐えられる合金はハフニウム合金で、融点は 4215°C です。 1億℃はハフニウム合金の融点の23,000倍です。

太陽は重力を利用して、核融合反応の高温を半径 1/4 以内に圧縮します。地球はどのようにして容器の中で核融合反応による1億度の高温を制御できるのでしょうか？発見された118の元素のどれもこれを行うことができないため、科学者は実験と研究を繰り返した結果、磁気閉じ込めと慣性閉じ込めという非物質的な方法を発見しました。

現在では磁気閉じ込めが一般的に使用されています（慣性閉じ込めについては今日は説明しません）。

いわゆる磁気閉じ込めは、プラズマが帯電し、磁場と相互作用するためです。科学者はこの物理的原理を利用して、エネルギーを使って磁場トラップを作成し、磁場によって形成された円形のトラップ内に高温プラズマを閉じ込めます。これは、側面に支えがないケージのようなもので、核融合によって生成された高温のプラズマが、装置の部品や内壁に触れることなく、このケージ内に留まることができます。

しかし、これを実現するのは困難であり、特にこの高温プラズマを長時間閉じ込めることは困難です。いわゆる「制約された秒数」は、これらの実験の継続的な改善と進歩を指します。

しかし、高温のプラズマを生成し、それを閉じ込めることができたとしても、それが核融合エネルギーが利用されたことを意味するわけではありません。これは長い旅の最初の一歩に過ぎません。核融合のための高温と、高温プラズマを閉じ込める磁気トラップを作るには大量のエネルギーが必要となるため、出力エネルギーを入力エネルギーより大きくし、閉じ込めた核融合エネルギーを発電に導くことは依然として困難な課題です。

中国が世界の最先端に位置することを示す指標は何でしょうか?

中国の核融合研究機関は合肥市にあり、正式名称は「中国科学院合肥物理科学研究所」である。ここには中国が独自の知的財産権を持つ、現在世界をリードする「実験的非円形断面全超伝導トカマク」（略称EAST）と呼ばれる装置があります。

この装置は、1メガアンペアのプラズマ電流、1億度の高温プラズマ、1000秒の動作時間という3つの主要目標を設定しました。

段階的に達成された成果としては、2012 年に 2000 万℃の高パラメータ ダイバータ プラズマが 411 秒間得られたことなどが挙げられます。 2017年には、5000万℃で101.2秒間動作する定常長パルス高閉じ込めプラズマが達成されました。 2018年、プラズマ中心の電子温度が初めて1億℃に到達しました。 2020年には1億℃の高温で10秒間運転を維持しており、2021年上半期にはこの時間を101秒に延長し、温度を1億2000万℃まで上げる予定。

わずか2日前の2021年12月30日には、約7000万度の長パルス高パラメータプラズマ条件下で1056秒間動作を維持し、注入エネルギーが1.73ギガジュールに達することが達成されました。これまでにEASTは合計10万回以上の放電を実施し、1メガアンペアのプラズマ電流、1億度の高温プラズマ閉じ込め、1,000秒の動作時間という3大科学的条件を達成しました。

関係者によると、この実験により、完全に非誘導性の電流駆動、リサイクルと不純物の制御、熱と粒子の排出という3つの主要な科学的問題が解決されたという。これらはすべて非常に専門的な用語です。一般的な科学の普及のため、詳細には立ち入りません。

我が国が制御核融合研究の分野で継続的に躍進を遂げていることから、中国の科学技術力の成長が伺えるとともに、制御核融合研究の難しさも理解できます。現在、全体の進歩は依然として「秒」単位で計算されており、将来に向けての道のりはまだ長いのです。

出力エネルギー比の向上は、克服すべき最も重要な困難であり、焦点である。

核融合プラズマの効果的な閉じ込めにおける画期的な進歩に基づいて、核融合エネルギーを磁気トラップからどのように伝導し、民生用に応用するかが、今後の制御核融合研究の難しさと焦点となるでしょう。

その中で最も重要な指標は、入力エネルギーと出力エネルギーの比率であり、Q値と呼ばれます。 Q値インジケーターには2つの種類があります。 1 つは QP で、これは点火に必要なエネルギーと出力エネルギーの比率を指します。もう 1 つは QT で、これはデバイス全体の入力エネルギーと出力エネルギーの比率を指します。これら 2 つの比率の差は非常に大きいです。

例えば、実験では、総入力エネルギーは 400MW ですが、点火に使用されるエネルギーはわずか 50MW で、出力エネルギーは 250MW です。このように、QP 値は Q=5 となり、出力エネルギーが入力エネルギーの 5 倍であることを示しており、これは良好なようです。しかし、実際の QT 値はわずか 0.625 であり、エネルギー入力は依然として出力よりも大きいため、商業的価値はありません。

一部の実験データではQP値やQT値が開示されていないため、どの程度のレベルに達したのかは不明です。入手可能な情報によると、世界で比較的高い Q 値を持つ制御核融合実験には、Q 値が ≈ 0.67 の英国の JET が含まれます。日本のJT-60実験のQ値は理論的には1.25に達するが、あくまで理論値であり、実際には達成が難しいと言われている。その後、JT-60も解体されました。

我が国が公開した磁場核融合開発ロードマップによれば、2025年にQ値＝5の3000秒定常長パルスプラズマを達成する予定である。 2030年までにQ値＞10のプラズマ定常燃焼を達成する。 2050年に系統連系発電を実現するとしている。この期待Q値がどのようなQ値を指すのかは明記されていない。

いくつかの研究では、制御された核融合エネルギーの出力、伝送、変換の過程で大きな電力損失が発生するため、商業的価値を持つには Q 値が一般的に 30 に達する必要があると考えられています。同時に、完全なトリチウム循環ループと、適格な放射線耐性材料が必要です。これらの研究にはまだ時間がかかるでしょう。

このことから、制御核融合の研究は依然として「長く困難な道のりだが、探求を続けていく」ということが分かる。しかし、中国の科学者たちは自信に満ちている。彼らの目標はただ一つ、中国で最初の核融合エネルギーのランプを灯すことだ。

楽しみにしていましょう。議論へようこそ。読んでいただきありがとうございます。

Space-Time Communicationの著作権はオリジナルです。侵害や盗作は非倫理的な行為です。ご理解とご協力をお願いいたします。