太陽を模した核融合によるエネルギー生産

太陽は水素原子を体内で融合させ、莫大なエネルギーを生み出しています。 水素などの軽い原子が原子核とイオンに分離したプラズマ状態で融合して重い原子核になると、質量が減少し、減少した質量分のエネルギーが発生します。 太陽の内部は超高温・超高圧環境にあるため、物質同士がプラズマ状態のまま衝突し、核融合が起こります。 太陽の原理を真似ることができれば、人類のエネルギーに関する悩みのほとんどは解消されます。 核融合による電気の生産は、地上で太陽がエネルギーを生産するプロセスを再現することを目的としています。 人工の太陽を作るようなものです。

地球上に無数に存在する水素同位体を原料とするため、資源枯渇の心配がなく、原子力発電のように高放射性廃棄物も発生しません。 1 kg の水素は、8 トンの石炭に相当するエネルギーを生成します。 原子力発電の7倍の効率です。 枯渇を恐れず、わずかな資源でもクリーンに使えるので「夢のエネルギー」と言っても過言ではありません。 カーボンニュートラルへの要求が高まる気候危機の時代にぴったりの開発方法です。

太陽の真似ができれば。 太陽の暖かい内部を地上で再現するには？ 多くの技術的課題が残っていますが、科学界は徐々に核融合エネルギーを現実のものにしています。

プラズマを加熱して閉じ込める

最も研究されているのは「トカマク」法です。 「磁気コイル付きトロイダルチャンバー」のロシア語表現の略語。 トカマクは巨大な中空ドーナツ型の装置です。 そこに重水素とトリチウムを導入してプラズマを発生させ、外部から中性粒子ビームを発射して温度を1億度まで上昇させます。 このような高温に耐える材料はありません。 加熱されたプラズマは、デバイスの内壁に触れてはなりません。 これを行うために、ドーナツ型の構造が作られ、プラズマイオンが逃げるのを防ぐために磁場がその内部で中断されます。 ドーナツ型のチューブに浮かぶプラズマのようなものです。

ドーナツの穴に超電導マグネットを通すことで、磁場を発生させます。 超電導磁石は絶対零度に近い温度で動作します。 1億度の高温の装置と、絶対温度に近い液体ヘリウム冷却装置が近くにあります。

核融合の過程で高エネルギーの中性子が発生し、この中性子が外壁のブランケットと呼ばれる部分に入り、内部を流れる冷却水を加熱します。 そして、加熱された冷却水が熱交換器で水蒸気を発生させて発電機タービンを回す過程は、他の発電方法と同じです。

核融合プロセスを安定して実現するためには、プラズマの温度を高温にし、プラズマが内壁に触れないように管理することが不可欠です。 特に、自由に移動するプラズマの状態を安定して維持することは非常に困難です。

韓国の燃えるスター、KSTAR

韓国は、このようなプラズマベースの核融合研究の最前線にいます。 韓国超伝導トカマク先端研究 (KSTAR) は、大田の韓国核融合エネルギー研究所に収容されています。 1億度を超える超高温プラズマを作り出​​し、強力な磁場で閉じ込める自己完結型の核融合装置です。 大きさは直径10m、高さ10mで、付属施設を含めるとサッカー場の約1/4の大きさ。

2008年に大規模運転を開始し、2018年にはイオン温度1億度のプラズマ運転を達成し、2021年には30秒で1億度の記録保持を達成。核融合の世界記録です。 目標は2026年までに駆動時間300秒を達成すること。これにより、プラズマを24時間正常に稼働させる技術をほぼ確保したと説明されています。

KSRARの研究成果は、国際的な核融合研究プロジェクトである国際核融合実験炉（ITER）の建設にも主要なデータとして活用されています。 韓毛、米国、欧州、日本など7カ国が参加しており、2035年までに消費エネルギーの10倍を出力する装置をフランスで完成させることを目標としている。

最近発表された韓国での実証炉の計画は、2035 年の ITER の完了を念頭に置いた政策です。 ITER が予想の 10 倍以上の入出力エネルギーを生成できることが確認されれば、すぐに実証炉を建設する準備が整います。 ITER に参加している主要国では、核融合発電所の実証装置の開発がすでに始まっています。 次世代エネルギーへのパラダイムシフトに後れを取ってはならないという緊張感が各国を包んでいますが、それは私たちも同じです。

2035年に技術検証が達成されれば、2050年までに商業用核融合発電が達成される見込みです。これは、実験室での大成功から15年後に原子力発電が商用電力の生産を開始したのと同様のタイムラインです。

それは危険ではないでしょうか？

また、核融合によるエネルギー生産についても、さまざまな試みが行われています。 アメリカのリバモア研究センターでは、トカマク法ではなく、レーザーを燃料に当てて温度を上げて核融合を起こす方法を研究しています。 昨年末には、史上初となるインプットよりもエネルギーを得るという結果を達成した。 グーグルとシェブロンは核融合発電のスタートアップTAE Technologiesに12億ドルを投資しており、MITの研究者が率いるCommonwealth Fusion Systemsは比較的高温で動作する超電導マグネットを利用した技術として注目を集めています。

ここまで読んだあなたはきっと疑問に思ったことでしょう。 内部温度が1億度を超えるデバイスに問題が発生し、高温のプラズマが内壁に触れた場合、災害につながりますか? これが起こると、大気圧が突入し、溶融プロセスが即座に停止します。 これは、事故の際の管理が難しい原子力発電とは異なります。 しかし、核融合施設は損傷を受けて使えなくなると言われています。

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