英国の制御された核融合実験では、5秒間で59メガジュールが達成された。それは人類の利益からどれほど遠いのでしょうか?

一部メディアが2月9日に発表した報道によると、英国原子力研究所は2021年12月に実施した核融合発電実験で、5秒間に59メガジュールのエネルギーを生み出し、1997年に同装置が記録した約22メガジュールの核融合エネルギーというこれまでの記録を破った。これはこれまでで最新の世界エネルギー記録となる。

この実験は、一般に欧州共同トーラスとして知られる世界最大の核融合炉で行われた。この装置はカーマック装置、つまり磁気閉じ込め装置であり、正式名称は欧州共同トーラス原子炉（略して JET）です。この実験の画期的な成果は、ほぼ無限でクリーンなエネルギー源である核融合を民生用に推進するプロセスが大きく前進したことを示しています。

では、制御された核融合は近い将来人類社会に利益をもたらすのでしょうか?

楽観的に期待することはできますが、民生用発電として本格的に普及するまでには、まだ長い道のりがあります。

一部の報告書で示されたデータは厳密かつ正確ではないようで、それが人々を誤解させ、多くの人々の盲目的な楽​​観主義につながっています。例えば、ある報告書にはこう記されている。「科学者たちはこの研究所で11メガワットのエネルギーを得たとみられており、これは1万世帯に供給するのに十分な量だ」

これは理解不能かつ誇張であり、英国原子力研究所が2月9日に発表したニュースとも一致しない。英国原子力研究所の公式発表によると、JET核融合実験では5秒間に59メガジュールの持続エネルギーが生成されたという。これは、5 秒間に得られる累積エネルギーとして理解することも、5 秒間の一定時間内に出力される最大エネルギーとして考えることもできます。

しかし、一般的に言えば、エネルギーの単位であるジュールは秒単位で測定されるため、JET 核融合実験で得られるエネルギーは 59MJ（メガジュール）/s（秒）であり、このエネルギーは 5 秒間持続することがわかります。発電単位は一般的にkw/h（キロワット時）です。 1 kw/h は通常、1 キロワット時の電力を指します。 1 キロワット時は 3.6 メガジュールのエネルギーに相当するため、59 メガジュールは約 16.39 キロワット時に相当します。

1リットルの水を沸かすのに0.2kWhの電気が必要だという計算からすると、16.39kWhの電気で約82リットルの水を沸かすことができることになります。 1人当たり1日2リットルの水を飲むという計算で、164人に1日分のお湯を供給できることになります。もちろん、これは 1 秒あたりに生成されるエネルギーのみです。このエネルギーを100％電気に変換すると1秒あたり16.39kWhとなり、1時間で約59,000kWh、1日24時間で141.6万kWhの電力を発電できることになります。

平均的な家庭では、エアコンを使用すると約 20 kWh の電力が必要になります。これを1世帯当たりの平均電力消費量とすると、141.6万kWhの電力は一般家庭7万世帯以上に供給できることになります。

1万世帯に供給できるという報告は、まだ非常に控えめなようです。しかし問題は、このエネルギーが民生目的で使用されるためには、持続的に電力を生成できなければならないということです。ただし、現在の実験プロセスは 5 秒間しか持続できません。すべてのエネルギーを1秒あたりのエネルギーに変換すると、16.39kWhの電力が得られます。 5秒間で得られる電力はわずか81.95kWhで、これは4世帯の1日の消費量に相当します。

この実験結果は確かに大きな進歩だが、制御核融合は歯磨き粉を絞り出すように少しずつ進んでいるとしか言えず、本格的な民生利用にまで進むにはまだまだ遠い。

制御された核融合におけるいくつかの大きな困難

制御された核融合は太陽の中心部の核融合プロセスを模倣するため、「人工の小さな太陽」とも呼ばれます。地球上では、太陽の中心部に3000億気圧という超高圧を作り出す方法はない。この不足を補うためには、核融合が自律的かつ持続的に進行できるように、太陽の中心部の温度を1500万度から1億度以上に上げる必要があります。

地球上のいかなる物体も 10,000 度の高温に耐えられることはなく、ましてや 10,000 度の 1 億度に耐えられるはずがないことは周知の事実です。このような高温の化合物を収容できる容器は存在しないため、科学者は物理的な解決策を見つけるしかありません。何年もの調査の結果、重力制約、磁気制約、慣性制約という 3 つの制約が見つかりました。太陽核融合は重力による閉じ込めに依存していますが、これは地球上で再現できないため、後者の 2 つの閉じ込め方法しか使用できません。

今日は慣性閉じ込めについてではなく、各国の実験で最も一般的に使用されている磁気閉じ込めについてお話します。核融合に関与する原子核は正に帯電しているため、磁場によって制御されます。磁場が十分に強い限り、これらのプラズマは、内部にトラップが閉じ込められているかのように、磁力線に沿って螺旋方向に移動します。そのため、磁気トラップまたは磁気閉じ込めとも呼ばれます。

磁気閉じ込めは、この極めて高温のプラズマを、装置の内壁や他のコンポーネントに接触させることなく、装置内の磁気トラップ内に閉じ込める物理的な方法です。現在最も成熟した磁気閉じ込め装置は、旧ソ連の科学者によって最初に発明されたトカマク装置です。世界中の多くの国が独自の改良型トカマク装置を有しており、いずれもプラズマを閉じ込めることに成功していますが、閉じ込め時間はさまざまです。

この点において中国は世界の最先端に立っています。中国科学院が所有し、自主的な知的財産権を持つ合肥市にある完全超伝導トカマク型核融合実験装置（EAST）は、2021年の実験で7000万度プラズマの定常運転を1056秒間、1億2000万度を101秒間、1億6000万度を20秒間維持する世界記録を樹立した。

核融合の定常燃焼が数秒単位でしか計測されないこのような世界記録は、どのように実用化されるのでしょうか。さらに重要なのは、核融合エネルギーを真に機能させるためには、エネルギーの入力と出力の問題を解決しなければならないということです。

トカマク装置では、磁場を発生させてプラズマを閉じ込め、核融合物質を摂氏1億度まで加熱し、定常連鎖反応を維持するために、大量のエネルギー入力が必要です。したがって、核融合によって生成されるエネルギーを入力エネルギーよりもはるかに高くし、余剰エネルギーを出力して電気に変換し、社会的利益を達成する方法が、制約問題を解決するための2番目で最も重要なステップです。

最初のステップはまだ始まりに過ぎず、2 番目のステップはさらに困難なものとなるでしょう。

制御核融合が商業運転されるまでの道のりはどれくらいでしょうか?

核融合プラズマが安定した連鎖動作を維持し、膨大なエネルギーを生成できるようになると、核融合連鎖反応を維持するために装置内に少量のエネルギーが残り、より多くのエネルギーを装置から出力して電気に変換する必要があります。核融合熱エネルギーを電気エネルギーに変換する基本的な方法は、円形磁場の外側に適切な距離に熱交換装置を設置し、反応体内のエネルギーを熱放射の形で熱交換装置に伝達し、現在成熟した方法を使用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換することです。

科学界は数十年にわたってこのステップについて実験を行っており、負の出力からゼロの出力まで徐々に入力と出力のバランスに到達し（Q値は0）、その後出力を少しずつ増加させています（Q値> 0）。現在、英国JETが5秒間で得た59MJはすでに最高値ですが、Q値は何ですか?開示事項はありません。

Q値には2つの種類があります。 1 つは QP 値と呼ばれ、点火エネルギーと出力エネルギーの比率です。もう 1 つは QT 値で、総入力エネルギーと出力エネルギーの比率を示します。 2つのQ値は非常に異なります。実験全体の入力エネルギーが 400MW の場合、点火に使用されるエネルギーは 50MW のみで、出力エネルギーは 300MW になります。

このように、Q 値が QP を参照する場合、Q = 6 となり、出力エネルギーが入力の 6 倍であることを示します。 QT を参照する場合、Q = 0.75 となり、出力エネルギーが入力エネルギーの 0.75 倍であることを示します。これは依然として負の出力であり、商業的価値はありません。

したがって、出力電力のみを提供する実験的に得られたいくつかのパラメータでは、問題を説明できません。 5秒間に59MJというイギリスのJET実験データのQ値は何ですか？公開されたメッセージには Q 値パラメータが提供されていないため、商業的価値を測定することはできません。中国最高Q値である7000万度で1056秒、1億2000万度で101秒は公表されなかった。

我が国の制御核融合の長期目標は、2025年までに第1段階の実験で500MW（メガワット）のプラズマ定常燃焼を400秒間達成し、第2段階の実験で350MWのプラズマ定常長パルス燃焼を3000秒間達成することです。 2030年までに、第1フェーズの実験では200MW、10dpa（放射線による損傷の程度についてはここでは説明しない）に達し、第2フェーズの実験では1GW（ギガワット、1GW=1000MW）、50dpaに達する。 2050年までの目標は、送電網に接続された1GWの発電を達成することです。

これらの目標のうち、2025年の目標についてはQ値の要件がなく、2030年の目標についてはQ値の要件が最終的に10より大きい値となっています。ただし、これらのQ値はQPなのかQTなのかは明記されていません。 QP には商業的な価値基準がないため、QT 値として理解します。それでも、これらの目標がうまく実行されたとしても、核融合発電が商業的に利用可能になるまでには、さらに 30 年かかるでしょう。

これが中国のスピードだ。では、中国と海外のどちらが速いのでしょうか?待って見てみましょう。どう思いますか？議論へようこそ。読んでいただきありがとうございます。

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