原子力発電の最大の問題は小さな解決策があるかもしれない

数十年にわたり、核融合科学者に核融合炉を想像するように頼めば、彼らはおそらくトカマクについて話すでしょう。それは大きな部屋ほどの大きさの、中が空洞のドーナツのような形をした容器です。物理学者はその内部を、あまり美味しくない過熱プラズマのジャムで満たします。そして、太陽のように原子を粉砕してエネルギーを生み出すことを期待して、磁石でそれを囲みます。

しかし専門家は、トカマクを他の形でも作れると考えている。トカマクを小型化、薄型化すればプラズマ処理能力が向上すると考える人もいる。核融合科学者の提案が正しければ、これは原子力エネルギーの待望のアップグレードとなるかもしれない。最近の研究と新たに提案された原子炉プロジェクトのおかげで、この分野では「球形トカマク」による発電が真剣に検討されている。

「これまでの実験から、球状トカマク型は、同等の性能でプラズマをより良く閉じ込め、したがってより優れた核融合炉を作ることができることが示唆されている」とプリンストン大学プラズマ物理研究所所長のスティーブン・カウリー氏は言う。

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核融合発電の仕組みを知りたいという方のために説明すると、核融合発電は太陽が熱と光を生み出すのと同じプロセスです。特定の種類の水素原子を、それらを分離させている電磁力を超えて押し込み、押しつぶすことができれば、ヘリウムと大量のエネルギーが得られます。汚染や炭素の排出はほとんどありません。

確かに素晴らしい話だ。問題は、原子を強制的に結合させてこの反応を起こすには、数百万度の天体温度を長時間維持する必要があることだ。これは難しい基準であり、核融合の究極の目標である、投入したエネルギーよりも多くのエネルギーを生み出す反応、つまり損益分岐点と利得が達成できない理由の 1 つでもある。

トカマクは、理論上は、それを実現する方法の 1 つです。そのアイデアは、ドーナツの殻に敷き詰められた強力な電磁石でプラズマを注意深く形成することで、核融合科学者は超高温反応を継続できるというものです。しかし、トカマクは 1950 年代から使用されており、楽観的な見方が続いているにもかかわらず、その約束を果たすために必要な方法でプラズマを形成することは一度もできていません。

しかし、トカマクの外で核融合を起こす別の方法があります。慣性閉じ込め核融合（ICF）です。この方法では、砂粒大の水素ペレットを特別な容器に入れ、レーザー光線を照射し、その結果生じる衝撃波でペレット内部を揺さぶり、核融合を活性化させます。昨年、カリフォルニアのICF原子炉は、このエネルギーのマイルストーンにこれまでで最も近づきました。残念ながら、それ以来1年経っても、物理学者は再びこの閃光を起こすことができていません。

このような話は、代替方法があれば研究者は躊躇せずにそれを採用するだろうということを示しています。

トカマクを小型化するというアイデアは、理論物理学者がコンピューターシミュレーションを経て、よりコンパクトな形状の方が従来のトカマクよりもプラズマをより効率的に処理できると提案した1980年代に登場した。

その後間もなく、英国のカルハム核融合エネルギーセンターとニュージャージー州のプリンストン大学の研究グループがこの設計のテストを開始した。「結果はほぼ即座に非常に良好でした」とカウリー氏は言う。物理学者が新しいチャンバー設計のたびにそう言えるわけではない。

名前にもかかわらず、球状トカマクは真の球体ではなく、殻をむいたピーナッツのような形です。この形状にはいくつかの重要な利点があると支持者は考えています。サイズが小さいため、磁石をプラズマの近くに配置でき、実際に磁石に電力を供給するために必要なエネルギー (およびコスト) を削減できます。また、プラズマは反応全体を通じて球状トカマク内でより安定して動作する傾向があります。

しかし、欠点もあります。標準的なトカマクでは、チャンバーの中央にあるドーナツ型の穴に、重要な電磁石の一部と、磁石に電力を供給して支えるために必要な配線や部品が入っています。トカマクを小型化すると、そのスペースはリンゴの芯ほどに小さくなり、それに合わせて付属品も小型化する必要があります。「中央の狭い穴にすべてを入れる技術は、かなり大変な作業です」とカウリー氏は言います。「私たちは、その点で何度か失敗しました。」

取り付けの問題に加え、これらの部品を天体のように熱いプラズマの近くに設置すると、部品の消耗が早くなる傾向がある。その裏では、研究者たちがこれらの問題を解決するために新しい部品を作っている。プリンストン大学のあるグループは、これらの磁石を小型化し、従来の絶縁材を使わない特殊なワイヤーで巻いた。核融合炉の過酷な条件に適合させるには、高価でエラーが発生しやすいプロセスで特別な処理が必要になる。この開発ですべての問題が解決されるわけではないが、漸進的なステップだ。

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さらに先へ進むことを夢見ている人もいる。実験用トカマクの世界では、現在、記録的な容量を持つ試験炉であるITERの建設準備が進められている。ITERは1980年代から建設が進められており、この10年で南フランスでようやく完成する予定だ。ITERは、2040年代までに実用的な核融合発電への道を開くものと期待されている。

一方、核融合科学者たちはすでにイギリスで、エネルギー生産用球状トカマク（STEP）という非常に似たものを設計している。この炉はまだ完成にはほど遠く、最も楽観的な計画でも2030年代半ばまで建設は始まらず、発電開始は2040年頃になる予定だが、これはエンジニアたちが球状トカマクの設計をかなり真剣に受け止めていることを示している。

「私たちが常にしなければいけないことの一つは、自分自身に『もし今日原子炉を造るとしたら、何を作るだろうか』と問いかけることです」とカウリー氏は言う。球状トカマクがその方程式に入り始めていると彼は考えている。