熱核融合を飼いならす方法と、なぜそれが必要なのですか？

核分裂からエネルギーを得る分野での予想外で注目に値するアイデアと開発については、すでに書いています。また、原子炉に問題が発生した場合の対処方法についても説明します。私たちが知っているように、自由は非自由よりも優れており、合成は崩壊よりも優れています。これは、100年前に科学者が熱核融合を飼いならすための最初の一歩を踏み出したときにまさに考えていたものです。この記事では、熱核融合とは何か、科学的発展はどの段階にあるのか、そしていつ新しいエネルギー生産方法の導入を待つ価値があるのか​​について簡単に説明します。結局のところ、これがまさに人類が彼を必要とする理由です。

太陽を見つめる：熱核融合の発見の歴史

科学の発展とともに、人類は太陽がどのように機能するのか、なぜ太陽が消えず、熱と光を放出し続けるのか疑問に思い始めました。前世紀の20年代、ほぼ100年前に、英国の科学者Arthur Stanley Eddingtonは、プロトン-プロトンサイクル、つまり星の水素がヘリウムに変わる一連の熱核反応のアイデアを思いつきました。そして、この反応は膨大な量のエネルギーの放出を伴います。それは晴れた日に外に出るだけで簡単に感じることができます。



少し後の30年代、オーストラリアのマークオリファントの指導の下、ケンブリッジ大学の科学者たちは、一連の実験の結果、これらの反応に関与するヘリウム3とトリチウムの核（原子核を構成するプロトンと中性子の一般名）と、それらのドイツの対応物を発見しました。ハンス・ベテは、核反応の理論への貢献、特に星のエネルギー源に関する発見により、ノーベル物理学賞を受賞しました。すでに1946年に、サージョージパジェットトムソンとモーゼスブラックマンは、Zピンチ、つまり、磁場または「磁気トラップ」を使用したプラズマ閉じ込めシステムのアイデアを説明し、特許を取得しました。これは、制御された熱核融合のための最初のデバイスを作成するためのさらなる実験の基礎を形成しました。





実験室の磁気トラップ、写真：Sandpiper / Wikimedia Commons

無限の力：実装の長所、短所、および障害

歴史から一般理論に移りましょう。制御された熱核融合は、放出されたエネルギーを使用して発電することを目的として、軽い原子核から重い原子核を取得するプロセスです（理論的には）。本質的に、それは伝統的な原子力発電で使用される核分裂反応の反対です。基本的に、熱核融合反応（いわゆるDT反応）には重水素と三量体が使用されますが、重水素（DD）の核と他の同位体の組み合わせの間で、重水素とヘリウム-3の変形も可能です。



原子核自体は、「クーロン障壁」、つまり原子核間の静電反発力のために、あまり積極的に相互作用しません。それを克服し、地上条件で反応を開始するには、物質を十分に高い温度に加熱する必要があります。この場合、私たちは数億度について話します。熱核融合がその名前を得たのはこのプロセスからです。この場合の重水素とトリチウムの組み合わせは、反応の開始に「最低」温度（同じ1億度）を必要とするため、実験設備で最も頻繁に使用されます。





DT融合反応。出典：東芝エナジーシステムズ＆ソリューションズ株式会社



また、反応の過程で多数の中性子が出現しますが、その意味については少し下で説明します。まず、このプロセスの商用利用が過去70年間一般的に人類の心を刺激してきた理由を説明します。したがって、制御された熱核融合の利点：

1. 反応のための同位体の利用可能性の比較。重水素は海水から簡単に得ることができ、その埋蔵量は地球上で十分すぎるほどです。Tritiumは、半減期が12。3年しかないため、自然界には存在しませんが、リチウム6と原子炉からの重水から得られ、今後数年間で放棄する準備はできていません。
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さらに、熱核融合の間、後で「汚れた」武器を作るために使用できる物質は放出されません。





Tokamak JET、写真：EFDA JET / Wikimedia Commons



しかし、なぜ、前世紀の半ばに開発された制御された熱核融合の原理そのものが、まだ実際に実装されていないか、発電を開始していない実験設備としてのみ実装されているのでしょうか。このプロセスの欠点と制限を見てみましょう。



まず、中性子に戻りましょう。 DTを使用した反応中に、中性子フラックスが形成され、反応器の格納容器の壁に衝突します。その結果、機器のメンテナンスが非常に複雑になり、時間の経過とともに中性子衝撃によって材料が放射性になるだけでなく壊れやすくなるため、定期的な交換が必要になる、いわゆる「誘導」放射を扱っています。この問題を解決するために、放射線に敏感ではない材料を使用することが提案されており、それは長持ちしますが、それらの使用は熱核融合発電所を建設するためのすでに莫大な費用を増加させます。 「ニューロンフリー」反応を得るために、他の活性物質の使用も検討されています。ただし、密度と反応温度の要件については、上記ですでに説明しました。



現在のレベルの技術開発でも、科学者やエンジニアは、反応器内の物質を加熱してプラズマ状態にし、その後、絶えず熱が失われているにもかかわらず、この状態を維持するためのエネルギー消費を保証することはできません（システムの冷却も同様です）。電磁石および他のサブシステム）は、反応中に放出されたエネルギーの量よりも低くなりました。たとえば、英国のJETトカマックは、入力エネルギーと出力エネルギーの比率が67％、つまり0.67 Qに達しています。Qは、このようなシステムで消費および受信されるエネルギー量の比率を表す指標であるため、融合反応は自立していると見なされます。 、有用な容量を生成するには、少なくとも5に等しく、はるかに高い必要があります。今日、このような価値のある原子炉は世界にありません。



もちろん、最後の質問は回収とコストです。太陽の内部の反応を正確に模倣するには、トリチウムと重水素を取り、それらに条件付きの一致をもたらすだけでは十分ではありません。熱核融合反応器は、信じられないほど複雑で、かさばり、高価な設計であり、大規模な冷却システム、さまざまなタイプの膨大な数の電磁石、さらには独自の発電所を設置する場所があります。



まだ完成していないITER実験トカマック（下記参照）の建設費は200億ドルを超える可能性があると推定されています。同時に、原子炉は発電用に設計されていません。つまり、ITERの運用から得られる唯一の利益は、科学者の共同作業の経験と実験データです。

実用的な魔法：建設の主な種類とその開発のマイルストーン

従来、制御された熱核融合の設備は、トカマック、ステラレーター、ミラートラップ、パルスシステムの4つのタイプに分けることができます。彼らの例を使用して、将来的に熱核融合を使用した電気の生産につながる可能性のあるアイデアの開発と、何らかの理由で今後数年間（または決して）理論と実験の枠組みを超えない「行き止まり」の分岐の両方を検討することを提案します。 ..。



トカマクプラズマを閉じ込めるのに役立つ反応器の主要な要素である「磁気コイルを備えたトロイダルチャンバー」の略語です。この場合、反応器チャンバーの周りに巻かれた磁気コイルは、プラズマがその壁に接触するのを防ぐ特別な磁場を作り出すために使用されます。同時に、プラズマ自体にも電流が流れ、プラズマ自体を加熱し、ポロイダル磁場を生成します。現代の状況では、このフィールドは数秒以上存在することはできず、それがないとプラズマの安定性が失われるため、継続的な発電のためのトカマックの使用について話すのは時期尚早です。マイクロ波放射を使用するか、中性の重水素/トリチウム原子をプラズマに注入することで、電流をより長く維持することは可能ですが。





Tokamak KSTAR、韓国、写真：Michel Maccagnan / Wikimedia Commons



Tokamakのアイデアは、前世紀の50年代にソビエト連邦で最初に説明され、1954年に最初のそのような原子炉がクルチャトフ研究所に建設されました。長い間、トカマックは純粋にソビエトの開発であり続けましたが、1970年代に英国の科学者は、ソビエトT-3トカマックで達成されたプラズマ加熱の記録的な結果を確認し、世界中の技術に興味を持つようになりました。



今日、トカマックは最も有望な開発と見なされており、世界でのトカマックの数は他のタイプのインストールの数を上回っています。この分野での成果の中で、2018年に1億度のプラズマ温度に達した中国のEAST（ロシア連邦の支援を受けて建設された実験的高度超伝導トカマック）、英国に位置し、世界、およびすでに前述したITERについては、さらに詳しく説明します。





ITERトカマックサーキット。出典：オークリッジ国立研究所-ITER Tokamak and Plant Systems（2016）/ Wikimedia Commons



ITER（国際熱核実験リアクター、国際熱核実験リアクター）を構築するというアイデアは、1985年にロナルドレーガンとミハイルゴルバチョフの間の会議で議論されましたが、実際の建設は2010年にのみ開始されました。日本、EU諸国、ロシア、米国、韓国、中国、インドなど、多くの国が原子炉の作業に関与しています。共同プロジェクトの結果、23,000トンの巨大な構造物ができ、JETが地球上で最大のトカマックの台座から移動し、理論的にはQ値を30にすることができます。ITERの作成者は発電を達成するという目標を設定していませんが、トカマックのタスクは、この領域で熱核融合を使用する可能性を最終的に証明し、「正の」バランスを持つ最初のトカマックであるDEMOの「道」（これはリアクターの略称がラテン語から翻訳される方法です）を開くことです。 21世紀半ばまで始まりません。



ITERプロジェクトでは、日本は最も重要な要素の1つである原子炉室の周囲に磁場を形成するために必要な超伝導コイルの開発と製造を担当しました。具体的には、東芝は重量約300トンの巨大な16.5メートルのトロイダルフィールドコイルを開発しています。同時に、各部品の非常に厳しい寸法公差（わずか数ミリメートル）を遵守する必要があるため、日本の実験用トカマック、JT-60およびJT-60SAの作業中に発明された技術と方法は非常に役立ちます。



ステラレーター（緯度ステラから-「星」）は、原子炉内のプロセスが星の内部で発生するプロセスと類似しているため、その名前が付けられました。最初のプロトタイプは、発明者であるLyman Spitzerのリーダーシップの下、1951年に米国で製造されました。ステラレーターとトカマックの主な違いは、磁気トラップの設計にあります。ステラレーターでは、外部コイルのみを使用してプラズマをチャンバー内に閉じ込め、チャンバーの周りを回転する力の線を作成します。この設計により、理論的には連続モードで磁気トラップを使用できます。ステラレーターでは、トカマックのように、ほとんどの場合、重水素とトリチウムの混合物が使用され、チャンバーの真空容器に導入されます。現代のデザインは、複雑なコンピューターでシミュレートされたモデルを支持して、トーラス型のチャンバーを放棄しました。彼らの目標は、血漿封じ込め効率を最大化することです。





Wendelstein 7-X. : Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Tino Schulz / Wikimedia Commons



プラズマへの継続的な曝露の可能性とチャンバーの変更された設計にもかかわらず、ステラレーターはトカマックほど普及していません。これは主に、設計がより複雑になり、現代の条件では効率が低下するためです。 2015年にドイツのGreifswaldに建設されたWendelstein7-Xは、世界最大のステラレーターとなり、この開発の一種の「エピタフ」となりました。科学者の計算によると、彼は、ステラレーターを長期間の発電に使用する可能性を実証するために、電磁石をプラズマに連続的にさらす時間を30分にする必要がありました。さらに、2018年の実験では、プラズマ温度は40,000℃までしか上昇せず、動作時間は100秒になりました。次のテストは2021年に予定されています。



-このタイプの制御された熱核融合プラントは、主に理論的な開発のままです。 1960年の学者AndreiSakharovでさえ、磁気トラップを使用せずに熱核融合が可能であることを証明し、古典的なアプローチの反対を提案しました。この場合、私たちは、電磁界が長期間保持される超希薄プラズマについてではなく、その超高密度（および非常に短命）バージョンについて話します。熱核反応のレベルでのみ、ガソリンエンジンの燃料爆発の一種の類似物を達成するために、強力なレーザーまたは放射ビームを使用してパルスシステムで凍結DT組成物でミニチュア「ターゲット」を爆発させることが提案されています。周期的な爆発を伴うそのようなシステムは、エネルギーを生成する熱核反応のほぼ連続的な連鎖を提供することができます。一方（理論的には）リアクターシェルに損傷を与えることはありません。





NIF/ : Lawrence Livermore National Laboratory, Lawrence Livermore National Security, LLC, and the Department of Energy — National Ignition Facility / Wikimedia Commons



この分野での既存の開発の中で、MagLIFプロジェクトとカリフォルニアのローレンスリバモア国立研究所のNIF（国立点火施設、またはレーザー熱核反応のための国立複合施設）に言及する価値があります。このアイデアの継続的な可能性にもかかわらず、2012年に米国政府は、実用的な結果が乏しいため、プログラムへの資金提供を終了することを計画しました。今日の時点で実験は続けられていますが、「ターゲット」自体の複雑さと、TNTのトンに相当する爆発が発生するチャンバーに定期的にそれらを届ける必要があるため、このタイプの設置は実用性の点でトカマックやステラレーターにはるかに遅れています。



ミラートラップ-「オープン」磁気トラップを使用した最初の実験は、1955年に同じローレンスリバモア国立研究所で実施されました。トラップの背後にある考え方は、閉じたトーラスではなく、両端が開いた細長い磁気容器を使用することでした。この場合、「新しい」プラズマは必要な温度まで加熱され、エネルギーを放出し、側面の穴から出なければなりませんでした（またはミラーのように磁場によって跳ね返されるため、名前が付けられました）。この形状とメカニズムのおかげで、それらのコストは競合する設計よりもはるかに低かったため、しばらくの間、ミラートラップは非常に有望な開発であるように思われました。しかし、時間の経過とともに、実験者はプラズマの不安定性に直面し、開発開始時には十分に理解されていませんでした。これは問題を引き起こし、熱核融合に必要な温度に到達することが不可能になりました。その後、設計は繰り返し変更されましたが、たとえば、野心的なアメリカのMFTFの設置は、トカマックが最終的に単純で、より強力で、より安価であったため、テスト実行の開始前でも閉鎖されました。



このタイプの興味深い開発の中で、50年代のソビエトプロジェクトに基づいて作成されているNovosibirskのロシアのGDL（ガスダイナミックトラップ）、「オープン」トラップ「バドカーのミラーセル」は注目に値します。2018年の時点で、SB RASのノボシビルスク核物理学研究所の科学者はなんとか1,000万度の温度に達し、2020年には、実験を継続するための新しい機器の購入について、ロシア連邦の教育科学省から助成金を受けました。

美しい明日：結論の代わりに

熱核融合の問題を扱っている科学者の中には、「研究の成功と原子炉の商業利用開始まであと30年しか残っていない」という冗談があり、12年以上もこのように答えてきました（安定！）。それにもかかわらず、技術は発展し続け、人類は熱核融合を「飼いならす」方法を探し、チェルノブイリ災害を繰り返すリスクなしに、そして地球の生態系に永続的な害を与えることなく、私たちの電力需要を提供する小型の人工太陽を作成します。この研究はITERなどの開発に直接影響を受ける可能性があり、日本と東芝が直接関与していることを嬉しく思います。そして次に何が起こるか...私たちは30年後に見るでしょう。