核融合発電への道、巨大レーザーと強力な磁石の対決

星を照らすのと同じエネルギーを人間が利用できる日は、あなたが思っているよりも早く来るかもしれません。そこに到達すれば、温室効果ガスを排出することなく、豊富な電力が放出されるでしょう。

Will Wade、Jonathan Tirone、David R Baker著 グラフィックス by Dave Merrill

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人類は、星を照らすのと同じ動力源を利用して、ほぼ無限のカーボンフリーのエネルギーを得るという驚異的なことの瀬戸際にいます。 科学者たちは最近、夢であるエネルギー生成のための核融合が可能であることを証明しました。 さて、研究室での実験から商用プラントの建設に至るまでは、巨大なレーザーを強力な磁石と対決させる競争となるでしょう。

数十年にわたる実験の後、核融合プラントの 2 つの競合する設計が誕生しました。 1 秒間に何度も原子を衝突させる一連の反応を引き起こすには、高強度レーザーが必要です。 もう1つは、超強力な磁石を使用して、太陽よりも熱く燃えるプラズマの雲を閉じ込めるというものだ。 最近の画期的な進歩にはレーザーが使用されましたが、多くの専門家は商業的見通しに懐疑的です。 彼らは、磁石を使うのが一番確実だと言います。

12月、ローレンス・リバモア国立研究所で、2つの形態の水素が入った小さな燃料カプセルがレーザーで爆破された。

結果として生じる核融合反応は、レーザーによってターゲットに入力されたエネルギーよりも多くのエネルギーを生成しました。

賭け金はこれ以上ありません。 研究者たちが核融合を大規模に実現できれば、温室効果ガスを排出せず、核メルトダウンの危険もなく、安価で豊富な電力を昼夜を問わず供給する発電所への扉が開かれることになる。 星の極限状態を発電所で再現するというアイデアは、SF の世界のような話のように聞こえるかもしれませんが、最も楽観的な専門家らは、その限界点まであと 10 年ほどしか残っていないと言っています。 他の科学者は、今から 20 年か 30 年後だと予想しています。

コモンウェルス・フュージョン・システムズの最高経営責任者ボブ・マムガード氏は、「核融合は常にエネルギー技術の頂点に立つ捕食者だ」と述べた。 「これは大きな代償を伴う非常に難しい問題だ。」

このレースにはすでに世界の富裕層からの賭けが集まっている。 ジェフ・ベゾス、ビル・ゲイツ、ピーター・ティールは、スタートアップに投資している億万長者のほんの3人です。 投資家と政府は、マサチューセッツ工科大学からスピンアウトして20億ドルを獲得した新興企業コモンウェルス・フュージョンを筆頭に、融合を追求する企業に48億ドル以上を注ぎ込んでいる。 TAE Technologies は 11 億ドル以上を受け取りました。 Fusion Industry Association は 33 社のスタートアップを追跡しています。 15 社は磁気アプローチに焦点を当てており、8 社はレーザー設計に取り組んでいます。 残りは他のさまざまなテクノロジーを追求しています。

道のりは長く、複雑になるだろう。 レーザーと磁石のアプローチはどちらも、大きな技術的課題、科学的な難題、コストのハードルに直面しています。 しかし、それが正しく実現すれば、世界にとって大きな進歩を意味します。 人類の長期的な気候変動の課題ははるかに管理しやすくなり、その成果によってエネルギーと科学の新時代が始まる可能性がある。

フュージョンの仕組み今日の原子力発電所は原子を分裂させる核分裂を利用していますが、核融合は原子が結合するときに生成されるエネルギーを捕らえます。 核融合は現代の核兵器に破壊力を与えるためにすでに使用されているが、目標はそれを民間のエネルギー需要に合わせて制御することである。

それは簡単な仕事ではありません。 これには、プロセスで消費されるよりも多くの電力を生成しながら、極度の高温で操作し、反応を抑制し、エネルギーを捕捉し、これらすべてを実行することが含まれます。

画期的な進歩 12月5日の真夜中を過ぎて間もなく、カリフォルニアにあるローレンス・リバモア国立研究所の科学者らは、水素同位体が充填された胡椒の実ほどの大きさのダイヤモンドペレットに世界で最も強力なレーザーの焦点を合わせた。 注意深く変調された 3 つのパルスで 192 個のビームを発射しました。

ビームは 2.05 メガジュールのエネルギーを照射し、水素をヘリウムに融合させる反応を引き起こし、その過程で 3.15 メガジュールを放出しました。この差は 1 メガジュールよりわずかに多いか、手榴弾によって放出されるエネルギーとほぼ同等です。 それは科学者たちが何十年にもわたって追求してきた成果でした。 正味エネルギー獲得として知られるこのマイルストーンは、人間が星の力を解き放つことができることを証明しました。 しかし、商用プラントを作るには毎秒その1,000倍のエネルギーを生成する必要があるとプリンストンプラズマ物理研究所所長スティーブン・カウリー氏は言う。

「これほど堅牢なシステムを構築するのは困難です」とカウリー氏は言う。

レーザーローレンス・リバモア研究所で使用されているレーザー法は、慣性閉じ込めと呼ばれています。 生じた反応は信じられないほど短く、光が 1 インチ進むのにかかる時間とほぼ同じでした。 24 時間体制でエネルギーを生成するには、核融合システムはこれを何度も、1 秒間に 10 回も繰り返す必要があります。

現在利用可能なシステムではそれは不可能だと、カリフォルニアの研究所で研究を行った懸念科学者同盟の上級科学者ディラン・スポルディング氏は言う。 リバモアの国立点火施設のレーザーは非常に強力であるため、機器に損傷を与える可能性のある高強度の熱を発生するため、数日に 1 回しか発射できません。

「システムを限界まで追い込むと、多くのものが壊れる傾向があります」と彼は言いました。

最初の核融合プラントはいつ電力網に電力を供給しますか?

それでも、そのレーザーは 1980 年代の技術を使用して構築されており、それ以来、数多くの進歩が見られました。 スポールディング氏は、技術者が核融合システムに必要なレベルで動作するのに十分な強度と耐久性を備えたシステムを構築できると楽観視している。

さらに大きな課題は燃料ペレットです。 NIF テストでは、2 つの水素同位体である重水素と三重水素が充填されたダイヤモンド ボールが使用されました。 研究所関係者らによると、部品の製造には約7カ月、その後の組み立てには約2週間かかるという。 彼らは作品に値札を付けることを拒否したが、外部の専門家は、各作品に数千ドルから最大で2万ドルの費用がかかる可能性があると推定している。 これは、1 日にほぼ約 100 万個のペレットを爆破する必要があると思われるプラントにとってはあまりにも高価すぎます。

磁石競合するアプローチでは、磁石を使用して、核融合反応を引き起こす過熱プラズマの雲を閉じ込めます。 この方法の主な利点は、一度そのプロセスが達成されると、理論上、プラズマが数十年間にわたってエネルギーを生成する定常状態に維持できることです。

ITER などの実験用トカマクでは、重水素と三重水素のプラズマが主に 2 つの磁場によって捕捉され、所定の位置に保持されます。

このプラズマが安定した状態が長く続くほど、より多くの核融合が起こります。

ブレークスルー研究所の原子力イノベーション担当ディレクターのアダム・スタイン氏は、「磁性アプローチははるかに大規模なスケールに適しており、商用発電所に必要なものだ」と述べた。

磁石の閉じ込めプロセスは、太陽と同じくらい熱く燃えるプラズマを制御できるほど強力である必要がある。 ポジティブなエネルギーを生成するために必要な極端な温度で、あるいは長時間にわたってこれを実行できた人はまだ誰もいませんが、研究者たちは進歩を遂げています。 進歩の多くは、ソビエト連邦に遡る、いわゆるトカマク設計に基づいて行われました。 その中では、加熱されたプラズマを所定の位置に保持するために、過冷却されたドーナツ型の容器の周囲にレーザーと強力な電磁石が配置されています。

企業が追求する融合手法

コモンウェルス・フュージョン・システムズは、世界最強とされる磁石を使って、重要な課題の1つに対処した可能性がある。 CEOのマムガード氏によると、ネットエネルギーを生成する加熱プラズマを一度に30秒間保持できるトカマクを使用した実証システムが2026年に完成する予定だという。 商用版は2030年代初頭に完成する可能性があると同氏は予測する。

トカマクの設計は、フランス南部での建設に230億ドル以上の費用がかかる予定の国際熱核融合実験炉（ITER）計画の中心でもある。 史上最大の研究プロジェクトと考えられており、大規模な核融合発電が可能であることを証明する世界最高の成果であると広く考えられている。 35 か国の資金提供者には中国、欧州連合、インド、日本、ロシア、韓国、米国が含まれており、すべての国が ITER が生み出す知的財産にアクセスできます。

このプロジェクトは予期せぬ課題に悩まされています。 研究者らがパンデミックによって混乱した物流の整理を始めた矢先、ロシアのウクライナ侵攻により重要部品の供給が複雑化した。 5月、プロジェクトの責任者を長年務めたベルナール・ビゴー氏が死去した。 そして12月には主要部品に亀裂が発見された。

相次ぐ悪いニュースは、ITERの初核融合実証が予定通り2025年に行われないことを意味する。 新しい事務局長ピエトロ・バラバスキは、年末までに提出される予定の新たなスケジュールと予算をまとめている。

これからの道多くの課題が残っています。

業界は依然としてさまざまな燃料を評価しており、どれが発電所への最も簡単な道を提供するかについてはまだ決定していません。 コモンウェルスは、他のいくつかの企業とともに、リバモア実験で使用されたのと同じ水素同位体である重水素と三重水素を使用している。 ホウ素ベースの燃料を試験している企業もある。

小型トカマク発電所を建設中のコモンウェルス・フュージョン・システムズは、2021年に18億ドル以上を調達した

燃料源を決定することは、原子炉の壁やその他のコンポーネントにどのような材料が必要かを決定するのにも役立ちます。 すべての設計は高熱に耐える必要がありますが、重水素と三重水素を使用するということは、企業が自社の機械が放射性物質になることを覚悟しなければならないことも意味します。 そのため、核融合では核分裂とは異なり使用済み燃料廃棄物は発生しませんが、最終的に廃止される際には機械自体が大量の廃棄物を生み出す可能性があります。

そして、核融合反応からエネルギーを取得して電気に変換できるシステムはまだ構築されていません。

最終的に、すべてのテクノロジーを適切に活用することは、地球に多大な利益をもたらすでしょう。

ボストン郊外で核融合発電が広く社会に受け入れられるための基礎を築く非営利団体、エネルギー・フォー・ザ・コモン・グッドの共同創設者兼社長であるジェーン・ホチキス氏は、「私たちには気候変動に関する真のチャンスがある」と語った。

人々は今日のスタートアップを注視すべきであり、「たとえ今後 10 年間で 7 社だけがマイルストーンを達成したとしても、それは非常に印象的な偉業となるだろう」と彼女は述べ、タイムラインは遅く感じるかもしれないが、「これらすべてのスタートアップが、段階的なステップが重要です。」

編集者: ミリー・マンシ