遡ること1925年、英国の天体物理学者アーサー・エディントンは、太陽などの恒星は水素原子核が結合してヘリウムを形成する核融合反応によって動かされていると理論化した論文を発表した。 1950 年代までに、科学者たちは、人類がこのプロセスを利用して豊富なエネルギーを生成する方法を検討し始めました 。
それ以来、フュージョンの可能性は先見の明のある人々を魅了し続けています。核融合反応に必要な水素同位体 1 グラムで、石炭 11 トン (ほぼ 10 メートルトン) と同じくらいのエネルギーを生成できます。
それでも、核融合エネルギーは、長い間、とらえどころのない将来のビジョンのままでした。その主な理由は、プロセスで生成される以上のエネルギーを消費せずに、地球上の星に電力を供給する炉を人工的に複製することが複雑で困難だからです。通常は水素原子を反発する力を克服し、代わりに原子核を結合させるには、極端な温度と圧力が必要です 。
そうは言っても、科学者たちは近年、核融合の実現に向けて大きな進歩を遂げてきました。 「核融合の背後にある重要な物理学の疑問のほとんどは答えられている」とトーマス氏は、エネルギー分野の出版物であるパワー誌の2020年の記事で述べた。 2010年、米国、中国、欧州連合、インド、ロシア、日本、韓国を含む国家連合がITERの建設を開始した。この施設は、2025年に「最初のプラズマ」試験を開始できるよう十分に完成する予定である。 ITERがうまくいけば、2030年代半ばまでに必要量の10倍のエネルギーを生成できる能力が実証される可能性がある。 ITER は発電しませんが、将来の核融合プラントへの道を開く可能性があります 。
この記事では、核融合について学び、ITER 原子炉がどのように機能するかを見ていきます。
核融合の物理学: 反応
現在の原子炉は核分裂を利用して発電を行っています。核分裂では、1つの原子が2つの原子に分裂することでエネルギーが得られます。従来の原子炉では、高エネルギーの中性子がウランの重原子を分裂させ、長期間持続する大量のエネルギー、放射線、放射性廃棄物を生成します（原子力発電のしくみを参照）。
核融合では、2つの原子が結合して1つを形成するとエネルギーが得られます。核融合炉では、水素原子が集まってヘリウム原子、中性子、そして膨大なエネルギーを形成します。これは、水素爆弾や太陽に動力を供給するのと同じ種類の反応です。これは、核分裂よりもクリーンで、安全で、より効率的で、より豊富な電力源となるでしょう。
融合反応にはいくつかの種類があります。ほとんどの場合、重水素と三重水素と呼ばれる水素の同位体が含まれます。
- 陽子-陽子鎖– この順序は、太陽などの星で使用される主な核融合反応スキームです。 2 対の陽子が形成されて 2 つの重水素原子が形成されます。各重水素原子は陽子と結合してヘリウム 3 原子を形成します。 2 つのヘリウム 3 原子が結合して、不安定なベリリウム 6 を形成します。ベリリウム 6 は 2 つのヘリウム 4 原子に崩壊します。これらの反応により、高エネルギー粒子（陽子、電子、ニュートリノ、陽電子）と放射線（光、ガンマ線）が生成されます。
- 重水素-重水素反応– 2 つの重水素原子が結合して、ヘリウム 3 原子と中性子を形成します。
- 重水素 – 三重水素反応– 重水素 1 原子と三重水素 1 原子が結合して、ヘリウム 4 原子と中性子を形成します。放出されるエネルギーのほとんどは高エネルギー中性子の形です。
概念的には、原子炉内で核融合を利用することは簡単です。しかし、科学者にとって、制御可能で非破壊的な方法を見つけ出すことは非常に困難でした。その理由を理解するには、核融合に必要な条件を調べる必要があります。
同位体は、同じ元素の原子で、陽子と電子の数は同じですが、中性子の数が異なります。核融合における一般的な同位体の例は次のとおりです。
- プロチウムは、陽子を 1 つ持ち、中性子を持たない水素同位体です。これは水素の最も一般的な形態であり、宇宙で最も一般的な元素です。
- 重水素は、陽子 1 つと中性子 1 つを持つ水素同位体です。放射性物質はなく、海水から抽出できます。
- トリチウムは、陽子 1 つと中性子 2 つを持つ水素同位体です。放射性物質であり、半減期は約10年です。トリチウムは自然には発生しませんが、リチウムに中性子を照射することで生成できます。
- ヘリウム 3 は、 2 つの陽子と 1 つの中性子を持つヘリウム同位体です。
- ヘリウム 4 は、2 つの陽子と 2 つの中性子を持つ、最も一般的な自然発生型のヘリウムです。
核融合の条件
水素原子が融合するとき、原子核は一つに集まる必要があります。ただし、各原子核内の陽子は同じ電荷 (正) を持っているため、互いに反発する傾向があります。 2 つの磁石を一緒に配置しようとして、それらが互いに離れていくのを感じたことがあるなら、あなたはこの原理を直接経験したことがあるでしょう。
融合を達成するには、この傾向を克服する特別な条件を作り出す必要があります。融合が可能になる条件は次のとおりです。
高温は、陽子間の電気的反発に打ち勝つのに十分なエネルギーを水素原子に与えます。
- 核融合には約1億ケルビン（太陽の核の約6倍の温度）の温度が必要です。
- これらの温度では、水素はガスではなくプラズマです。プラズマは、すべての電子が原子から剥ぎ取られ、自由に動き回る物質の高エネルギー状態です。
- 太陽は、その大きな質量と、核内でこの質量を圧縮する重力によってこれらの温度に達します。これらの温度を達成するには、マイクロ波、レーザー、イオン粒子からのエネルギーを使用する必要があります。
高圧は水素原子を押しつぶします。融合するには、それらは互いに 1×10 -15メートル以内になければなりません。
- 太陽はその質量と重力を利用して、水素原子を中心核に押し込みます。
- 強力な磁場、強力なレーザー、またはイオンビームを使用して、水素原子を圧縮する必要があります。
現在の技術では、重水素と三重水素の核融合を可能にするのに必要な温度と圧力しか達成できません。重水素と重水素の核融合にはより高い温度が必要ですが、将来的にはそれが可能になる可能性があります。最終的には、リチウムから三重水素を作るよりも海水から重水素を抽出する方が簡単であるため、重水素と重水素の核融合の方が優れています。また、重水素は放射性ではないため、重水素-重水素反応により多くのエネルギーが得られます。
核融合炉: 磁気閉じ込め
水素核融合が起こるのに必要な温度と圧力を達成するには 2 つの方法があります。
- 磁気閉じ込めでは、磁場と電場を使用して水素プラズマを加熱し、圧縮します。フランスの ITER プロジェクトではこの方式が採用されています。
- 慣性閉じ込めでは、レーザー ビームまたはイオン ビームを使用して水素プラズマを圧縮して加熱します。科学者たちは、米国のローレンス・リバモア研究所でこの実験的アプローチを研究しています。
まず磁気閉じ込めについて見てみましょう。その仕組みは次のとおりです。
マイクロ波、電気、加速器からの中性粒子ビームが水素ガスの流れを加熱します。この加熱によりガスがプラズマに変わります。このプラズマは超伝導磁石によって圧縮され、それによって核融合が起こります。磁気的に閉じ込められたプラズマの最も効率的な形状は、ドーナツ形状 (トロイド) です。
このような形状の原子炉はトカマクと呼ばれます。 ITER トカマクは、その部品がさまざまなカセットに収められた自己完結型原子炉になります。これらのカセットは、メンテナンスのためにリアクター全体を分解することなく、簡単に挿入および取り外しができます。トカマクには、内半径 2 メートル、外半径 6.2 メートルのプラズマトロイドが搭載されます。
ITER 核融合炉を詳しく見て、磁気閉じ込めがどのように機能するかを見てみましょう。
「トカマク」は「軸方向磁場を備えたトロイダルチャンバー」のロシア語の頭字語です。
磁気閉じ込め: ITER の例
ITER トカマク炉の主要部分は次のとおりです。
- 真空容器– プラズマを保持し、反応チャンバーを真空に保ちます。
- 中性ビーム入射器(イオン サイクロトロン システム) – 粒子ビームを加速器からプラズマに注入し、プラズマを臨界温度まで加熱します。
- 磁場コイル(ポロイダル、トロイダル) – 磁場を使用してプラズマを閉じ込め、形成し、閉じ込める超伝導磁石
- 変圧器/中央ソレノイド– 磁場コイルに電力を供給します。
- 冷却装置（クロススタット、クライオポンプ） – 磁石を冷却します。
- ブランケットモジュール– リチウム製。核融合反応からの熱と高エネルギー中性子を吸収する
- ダイバーター– 核融合反応のヘリウム生成物を排出します。
プロセスの仕組みは次のとおりです。
- 核融合炉は重水素と三重水素燃料の流れを加熱して高温プラズマを形成します。融合が起こるようにプラズマを圧縮します。核融合反応を開始するのに必要な電力は約70 メガワットですが、反応による発電量は約500 メガワットになります。融合反応は300 ～ 500 秒続きます。 (最終的には、持続的な融合反応が発生します。)
- プラズマ反応室の外側のリチウムブランケットは、核融合反応からの高エネルギー中性子を吸収して、より多くのトリチウム燃料を生成します。毛布も中性子によって加熱されます。
- 熱は水冷ループによって熱交換器に伝達され、蒸気が生成されます。
- 蒸気は電気タービンを駆動して電気を生成します。
- 蒸気は凝縮して水に戻り、熱交換器内の反応器からより多くの熱を吸収します。
当初、ITER トカマクは持続型核融合炉の実現可能性をテストし、最終的には試験用核融合発電所となる予定です。
核融合炉: 慣性閉じ込め
1960 年代以来、ローレンス リバモア研究所の国立点火施設 (NIF) は、レーザーを使用して核融合反応を点火する方法を解明するという複雑な課題に取り組んできました。
施設内では、ホルラウムと呼ばれるセンチメートルサイズの中空円筒に192本ものレーザー光線が照射され、水素同位体の入った小さなカプセルに照射されるX線が発生する。目標は、カプセルを爆破し、表面を吹き飛ばし、同位体を加熱して、星や巨大ガス惑星の核内部で見られる激しい状態を再現することです。この爆縮は非常に急速に起こるため、燃料が分解する前に核融合反応が起こります 。
このプロセスが正しく機能すれば、カプセルの中心に入るアルファ粒子のエネルギーが、放出されたX線と電子の熱生成によるエネルギー損失に等しい瞬間に核融合点火が起こります。目標は、核融合反応の波がホットスポットの周囲の燃料に広がる「燃焼プラズマ」を生成することです。十分なアルファ粒子が吸収されると、燃料の温度は自立熱核反応を生成するのに十分な高くなり、発火につながります 。
しかし、2020年の時点で、NIFで点火に到達することは、当初想定されていたよりもはるかに困難であることが判明しました。しかし、NIFのウェブサイトが指摘しているように、実験のたびに科学者はより多くの知識を獲得しています。たとえば、高解像度の 3D モデリングの使用は、プロセスがどのように機能するかをより深く理解するのに役立ちました 。
2018年、NIFの科学者らはターゲットチャンバーに2.15メガジュールの紫外線エネルギーを照射し、記録を達成した。また、彼らは長年にわたって、爆縮速度を高め、爆縮中心の圧力を当初発生可能な圧力の 3 ～ 4 倍に高めることにも成功しました。最も重要なことは、燃料中の核融合反応を刺激するアルファ粒子によって生成されるエネルギーが爆縮による運動エネルギーを超える閾値に達する初期の兆候を実験室環境で初めて確認したことだ。最終的に、プロセスをよりうまく封じ込めることができれば、核融合点火を達成できるでしょう 。
磁気閉じ込め核融合炉と同様に、慣性閉じ込め核融合からの熱は熱交換器に渡されて、発電用の蒸気が生成されます。
融合の応用
核融合の主な用途は発電です。核融合は、現在の核分裂炉に比べていくつかの利点があるため、安全でクリーンなエネルギー源を将来の世代に提供できます。
- 豊富な燃料供給– 重水素は海水から容易に抽出でき、余剰のトリチウムは地殻で容易に入手できるリチウムから核融合炉自体で作ることができます。核分裂用のウランは希少であるため、原子炉で使用するには採掘して濃縮する必要があります。
- 安全– 核融合に使用される燃料の量は、核分裂炉に比べて少量です。これは、制御されていないエネルギーの放出が発生しないようにするためです。ほとんどの核融合炉が発する放射線の量は、私たちが日常生活で共存している自然のバックグラウンド放射線よりも少ないです。
- クリーン– 原子力発電では燃焼 (核分裂または核融合) が発生しないため、大気汚染がありません。
- 核廃棄物の減少– 核融合炉は核分裂炉とは異なり高レベル核廃棄物を生成しないため、廃棄はそれほど問題になりません。さらに、廃棄物は核分裂炉の場合のように兵器級の核物質ではありません。
NASAは現在、深宇宙ロケットに動力を供給するための小型核融合炉の開発を検討している。核融合推進は無限の燃料供給 (水素) を誇り、より効率的で、最終的にはより高速なロケットにつながるでしょう 。
1989 年、2 人の研究者が室温で核融合反応を起こしたと発表しました。実験を再現しようとした他の研究者が結果を再現できなかったり、実験ミスが原因であると結論付けたりすると、興奮は失望に変わった。それにもかかわらず、常温核融合のアイデアは非常に興味深いものであるため、数十年経った今でも科学者たちはそれを完全に放棄していません。 2010年代、グーグルは複数年にわたる常温核融合の調査に資金を提供し、その調査には複数の大学やローレンス・バークレー国立研究所の研究者も参加した。研究者らは最終的に2019年のサイエンティフィック・アメリカン論文を発表し、その中で自分たちの取り組みが「そのような効果を示す証拠はまだ得られていない」ことを明らかにした。
