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核融合による発電は新しい概念ではありません。四半世紀以上にわたり、太陽のような恒星が水素原子を圧縮してヘリウムを生成することが知られてきました。これらの軽い原子が融合すると、エネルギーが放出されます。核分裂は、送電網に接続された現在の原子炉で使用されるプロセスであり、重原子を分裂させて蓄積されたエネルギーを放出することによって発電します。
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核分裂は核廃棄物をもたらしますが、核融合ははるかにクリーンです。エネルギー供給への懸念が高まる中、核融合発電は何世紀にもわたって豊富なクリーン エネルギーを提供する可能性を秘めています。しかし、私たちは、そこから電力を効率的に引き出すために必要な、継続的かつ制御された核融合プロセスをまだ達成していません。
関連項目を参照 AI とは何ですか?人工知能の将来について知っておくべき 10 のこと 23andMe: 心気症の人がオンライン DNA 検査を受けると何が起こるか テクノロジーで気候変動に取り組む 核融合発電はもはや物理学の問題ではなく、工学の問題です。制御された核融合は、ロスアラモス国立研究所で Z ピンチマシンを使用して世界初の核融合実験が成功した 1951 年以来実現可能になっています。しかし、実験室での実験を工業プロセスに変えることは、状況が良くても困難です。これは、本質的に人工太陽からエネルギーを抽出している場合に特に当てはまります。 future_of_fusion_power_-_jet_reactor
典型的な核融合炉は、重水素と三重水素を一緒に圧縮し、真空中で最高 1 億 5,000,000 度まで加熱してプラズマを生成し、強力な磁場によってその場に保持されます。これらの磁場は、スターシップ・エンタープライズのワープ・コアで見られるものと似ています。
JETの太陽に会いましょう
カルハム核融合エネルギーセンター (CCFE) のジョイント ヨーロッパ トーラス (JET) は、純粋に実験用のトカマク炉です。ユーロフュージョンと共同で 1977 年に建設された JET は、核融合発電所を実現するための最初の段階です。
「ITERはJETの3倍の大きさで、重さは23,000トン、つまりシロナガスクジラ115頭分の重さになると予想されています。」
JET からの発見の多くは、次世代の核融合実験炉である ITER (ラテン語で「道」の意味) の設計に影響を与えており、現在フランスで建設中です。 ITERはJETの3倍の大きさで、重さは2万3000トン、シロナガスクジラ115頭分の重さになると予想されている。 ITER からの発見は、DEMO と呼ばれる最初の実証用核融合発電所の創設につながります。
しかし、核融合発電所が完全に実現する前に、解決する必要のある重要な問題がいくつかあります。 「私たちは JET で核融合を実行しました。プラズマ物理学は大部分が解決されました」と CCFE の活動運用部門責任者のダミアン・ブレナンは言います。 「次はエンジニアリングのタスクです。」
核融合炉は巨大な機械です。 JET用の原子炉は大きな家ほどの大きさで、航空機の格納庫ほどの大きさの建物の中に収められている。これらの原子炉は非常に複雑でもあり、JET を管理するには 2,500 を超える制御室が必要です。 1 つのキュービクルに障害が発生すると、プロセスは機能しなくなります。フュージョンパワーの未来_-_マイクロ波加熱システム_と呼ばれる_下位ハイブリッド_現在のドライブ_オン_ジェット
「CCFEは、全国送電網に過度の負荷をかけないよう、人気のテレビ番組の広告休憩など、電力需要のピーク時にJETを稼働させないようにする必要がある。」
JET の開始には 16 週間の準備が必要であるため、JET の閉鎖には時間と費用の両方がかかります。再起動には、プラズマ生成に必要な 1×10 -8 mbar の真空圧が維持されていることを確認するために、長時間のリーク テストが必要です。その後、最適な動作条件が達成されるまで、中性ビーム システムとプラズマの出力が増加します。
現時点では、JET は 20 分ごとに最大 30 秒間のプラズマのバーストしか生成できず、プラズマのバーストごとに National Grid の容量の 1% が必要です。 CCFE は、全国送電網に過度の負荷をかけることを避けるために、人気テレビ番組の広告休憩など、電力需要のピーク時 (「パルス回避期間」と呼ばれる) での JET の実行を避ける必要があります。 future_of_fusion_power_-_plasma_read_outs_for_jet
「核融合プロセスにさらされる材料は、中性子の損傷に耐えることができ、放射化が低く、数か月ではなく数年持続できるほど十分に堅牢でなければなりません。」
核融合発電は原子炉のコンポーネントに多大な摩耗を引き起こします。核融合に必要な膨大な熱と圧力に加えて、プラズマは高速中性子を放出し、この中性子は炉心を囲む保護タイルに埋め込まれます。これらは時間の経過とともに照射脆化を引き起こし、原子炉の構造材料の劣化を加速させます。
したがって、核融合プロセスにさらされる材料は、中性子の損傷に耐えることができ、放射化が低く、数か月ではなく数年持続できるほど十分に堅牢でなければなりません。したがって、材料開発は重要な工学的課題の 1 つです。
核融合発電プラントが実現可能となるためには、シンプル、コンパクト、そして信頼性が高い必要があります。さらに、そのような原子炉は、継続的な発電の「長く低いハム音」を提供する必要がある。たとえば、ITER は、超電導磁石を使用して稼働時間の延長を可能にし、最長 1 時間パルスするように設計されます。
石炭より環境に優しく、核分裂より安全
「課題はあるものの、核融合は非常に魅力的な発電形式です。温室効果ガスを生成せず、燃料が豊富に供給される可能性があり、核分裂に比べて放射線のリスクが大幅に軽減されます。」
課題はあるものの、核融合は非常に魅力的な発電形式です。温室効果ガスを生成せず、燃料が豊富に供給される可能性があり、核分裂に比べて放射線のリスクが大幅に軽減されます。核融合炉から出る放射性廃棄物は、1世紀以内に安全にリサイクルできるようになる。核分裂廃棄物は何千年にもわたって環境負荷となっています。
また、核融合には蓄積エネルギーの問題がないため、核分裂よりも本質的に安全です。原子炉の炉心が破壊されると、亀裂が目に見える前であっても、真空の喪失によりプラズマ場が崩壊します。原子炉内に残るのはトリチウムだけであり、トリチウムろ過システムを通じて安全に回収できます。 future_of_fusion_power_-_jet_control_room
しかし、プラズマは非常に不安定な物質状態です。JET では、いわゆるエッジ局在モード (太陽フレアに似た) のプルームがプラズマ場から弧を描くのがよく見られます。このようなプラズマの不安定性は、原子炉を動かすほどの強い混乱を引き起こします。
「昔、[JET 運航会社] は自分たちにできることを検討し、かなりうまくやっていたのですが、大きな混乱が発生したため、早めに営業を終了して帰宅していました」と CCFE のブレナン氏は回想します。 「翌朝、オックスフォード大学の地震観測所の一つから電話があり、『昨夜の午後8時45分に一体何をしたんだ？』という内容だった。あなたのサイトにイベントを登録しました!」 future_of_fusion_power_-_inside_jet
「瓶の中の太陽」
「翌朝、オックスフォード大学の地震観測所の一つから電話があり、『昨夜の午後8時45分に一体何をしたんだ？』という内容だった。あなたのサイトにイベントを登録しました!」
プラズマのプルームが原子炉の壁に大量のエネルギーを放出し、タイルを腐食させます。重水素-三重水素の凍結ペレットは、「ガタガタ」音に合わせてプラズマ内に発射され、振動を減衰させることができます。別の方法は、プラズマの周囲に共鳴磁気摂動 (RPM) コイルを使用して外乱を減衰させることです。
周期的な加熱によって最も大きなストレスを受ける領域の 1 つはダイバータです。ダイバータは、原子炉の動作中にプラズマから廃熱を除去します。これには、最大 30MW/m² の電力負荷がかかる可能性があります。ちなみに、スペースシャトルのタイルは、大気圏突入中に10MW/㎡「のみ」しか受けません。科学者たちは、ダイバーターに当たる前に熱の一部を吸収するために窒素で構成されたガスバッファーを使用し、熱負荷を軽減することを検討しています。 future_of_fusion_power_-_mast-us_intended_location_far_smaller_than_jet
現在、JET の最初の壁の保護タイルはベリリウムとタングステンで作られています。以前は、核融合炉心は同様に原子量が低い炭素タイルで保護されていましたが、これらは重水素と三重水素燃料を容易に吸収してしまい、効率に悪影響を及ぼしました。
重水素は地球上に比較的豊富に存在しますが（海水から抽出できます）、トリチウムの供給には限りがあることに対処する必要があります。核融合炉の周りに巻かれたリチウムブランケットからキログラム量のトリチウムを生成できる新技術が開発されている。 「理論的には可能で、数学的には非常に簡単ですが、ブランケットを加工する必要があります」とブレナン氏は言います。 future_of_fusion_power_-_top_of_mast-u
「核融合発電が直面している多くの技術的問題にもかかわらず、50年以内に経済的に実行可能な実用的な核融合発電所が完成すると期待されています。」
CCFE のメガアンプ球状トカマク アップグレード (MAST-U) は、英国の最新の核融合実験であり、核融合設計の次の段階です。 JETよりも小型でシンプルなMAST-Uは、芯のあるリンゴの形状を採用しています。同じレベルの性能を得るにはより低い磁場が必要となるため、これにより、はるかに効率的な設計が可能になる可能性があります。また、熱負荷を分散できる可能性のある 2 つのダイバーターも組み込まれます。 MAST-U の結果は ITER の設計にさらに情報を提供し、より多くのプラズマ実験を実施できるようになります。
核融合発電が直面する多くの技術的問題にもかかわらず、経済的に実行可能な実用的な核融合発電所が 50 年以内に完成すると期待されています。 「そうしなければなりません」とブレナン氏は結論付けた。 「エネルギー資源と地球温暖化のため、私たちは何か違うことをしなければなりません。これでボトルの中に太陽が入ったので、エンジニアリングをしましょう!」
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写真: ピーター・ゲートハウス
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