物理学者は星のようにエネルギーを作りたいと考えています。この 2 つの方法が最も効果的です。

先週、政治家や指導者たちはグラスゴーでCOP26に出席し、気候危機を緩和できる政策を練り上げました。エネルギー需要が危機を助長しているため、燃える太陽を見て、太陽がやっていること、つまり核融合が私たちにできるのではないかと考えたくなるかもしれません。

科学者たちは何十年も核融合の実現に取り組んできました。しかし、実際に核融合を実現するには、膨大な数のロジスティックス上の課題を克服する必要があります。核融合はゆっくりと進歩する科学ですが、科学者たちはその夢の実現に一歩ずつ近づいています。

彼らは2種類の核融合炉に取り組みを分けている。1つは大規模なもので、部屋ほどの大きさの容器で核融合を起こそうとする。もう1つは小規模で、ピンほどの大きさのペレットで同じことを起こそうとする。しかし、どちらも最終的には太陽で起こっていることを模倣しようとする。

私たちの恒星は、水素原子を融合させてヘリウムと膨大な量のエネルギーを作り出すことで、膨大な熱とまばゆいばかりの光を生み出しています。核融合研究者が最終的にやりたいのは、まさにこれです。地球上に星のかすかな影さえも作り出すことができれば、膨大な量のクリーンエネルギーへの扉が開かれることになります。

これらは最も有望な 2 つのアプローチです。

大きく進む

太陽は中心部の極寒の環境のおかげで、水素原子を簡単に融合することができます。数千万度の温度で、原子は自然に分離している電磁力を克服します。原子は融合します。この反応では温室効果ガスは発生しません。

このような温度では、原子は非常に高温になるため、電子を失い、プラズマと呼ばれる帯電粒子の熱いスープになります。科学者は電界と磁界を適用することで、このスープを操作したりかき混ぜたりすることができます。

地球上でプラズマを作り出​​すことは可能です。しかし、それは最初のステップにすぎません。次に、物理学者はプラズマを十分に高い密度に圧縮する必要があります。これを行う方法の 1 つは、プラズマを強力な磁気ケージに入れることです。これは磁気閉じ込め核融合と呼ばれます。

この方法で最もよく知られている容器はトカマクです。これはドーナツ型の容器で、通常は中型の部屋ほどの大きさです。容器の壁には強力な磁石が取り付けられており、プラズマを閉じ込めて核融合を開始できるほどの密度に達するまで維持するのに役立ちます。

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核融合が長年追い求めてきた目標は、原子炉が始動に必要なエネルギーよりも多くのエネルギーを放出する「点火」と呼ばれる閾値であり、核融合発電所を稼働可能にするために必要な基準である。しかし、磁気閉じ込め核融合は1950年代から存在しているにもかかわらず、これまでのところ、その基準に近づいた原子炉はない。

しかし、科学者たちはその日がもうすぐ来るかもしれないと期待している。南フランスの丘陵地帯に建設中ののが、世界最大かつ最強のトカマク、国際熱核融合実験炉（ITER）だ。そのトカマクは、現在の最大のトカマクの10倍の広さになる。10年以上も前から計画が進められてきたITERは、2025年に運転を開始する予定だ。史上最も費用のかかる科学実験と言われている。

小さくなる

フランスから地球の反対側、2021年8月には別の種類の反応が進行していた。カリフォルニア州のローレンス・リバモア国立研究所の国立点火施設（NIF）で、科学者たちは点火にほぼ達するほどの高い効率で核融合を実施したと発表した。

NIF の成功した実験にはトカマクは使用されていません。その代わりに、NIF は慣性閉じ込め核融合と呼ばれるタイプの反応を使用しています。これは、通常ピンの頭ほどの大きさの水素燃料の小さなペレットを取り、強力な衝撃波でそれを揺さぶることに依存しています。衝撃波がペレットを襲うと、内部の水素が圧縮され、核融合を開始できるほどの圧力と温度まで加熱されます。

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物理学者はさまざまな方法で衝撃波を作り出すことができるが、そのほとんどは高エネルギーレーザーをペレットに照射する方法に頼っている。施設によってはレーザーでペレットを直接照射するところもある。一方、NIF ではレーザーのエネルギーを X 線に変換し、それをペレットに照射する。

これにはより多くのエネルギーが必要ですが、科学者に少し余裕を持たせることで、セットアップの繊細さが軽減され、管理しやすくなります。「このようなものを圧縮するプロセスは非常に繊細です。すべてが本当に、極めて正確でなければなりません」と、NIF のディレクターであるダグ・ラーソンは言います。

NIF とその類似の装置は、トカマクで可能な圧力を超える巨大な圧力を発生させることができますが、トカマク内の圧力ははるかに長く持続します。

「NIFでは、1000億気圧程度の圧力、つまり本当に異常な超高圧を作り出すことができますが、これらの圧力がターゲットチャンバー内に存在できるのは1兆分の1秒だけです」とラーソン氏は言う。

NIF は、この規模の慣性閉じ込め核融合施設としては唯一のものだが、フランスのボルドーにあるレーザー・メガジュールや、中国で計画中の神光 IV などの他の施設も、将来的にはこれに匹敵する規模になるかもしれない。

核融合の明るい未来？

物理学者たちは、核融合の世界は今がエキサイティングな時期だと語る。「過去 1 年間で、多くの理解が深まり、NIF の進歩が本当に加速しました」とラーソン氏は言う。

核融合炉はほぼ無​​限の電力を生み出す可能性を秘めているが、気候危機の即効的な解決策には程遠い。例えば、NIF で 8 月に行われた実験では、数時間ごとにパルスを発するレーザーが使用されていた。しかし、慣性閉じ込め核融合発電所を商業的に実現可能にするには、そのレーザーを数秒ごとに発する必要があるとラーソン氏は言う。NIF ではそのレーザーをアップグレードする予定だ。

フランスで建設中の巨大トカマク型核融合炉ITERは、核融合発電の実現に向けた中間段階にすぎない。建設業者らは、ITERで得られた知識が、実証核融合発電所（DEMO）と呼ばれる次世代核融合炉の改良につながることを期待している。DEMOが核融合を人々にもたらすかもしれないと彼らは期待している。これらの発電所の建設は2030年代まで開始されない。