核融合発電に超伝導が使われる理由

☆発電が成立するためには、使うエネルギーより、取り出すエネルギーの方が大きくなければいけません。ところが核融合発電では、『磁場のかご』を作るために強力な電磁石（電気を流して磁場を作るコイル）を運転する必要があります。これでは「電気を作る」ために、「電気を流す」という矛盾が生じてしまいます。この矛盾を解決するのが『超伝導電磁石』です。普通の電磁石では電気を流すためにエネルギー（電力）を使ってしまうのですが、超伝導材料で作った電磁石はエネルギー（電力）をほとんど消費しません。それは電気抵抗がないからです。（詳しくはまたの機会に・・）

【超伝導電磁石を使わないと・・】

【超伝導電磁石を使うと・・】

☆その代わり、超伝導電磁石は極低温に冷やす必要があります。プラズマ閉じ込め装置「大型ヘリカル装置」の超伝導電磁石は液体ヘリウムに浸してマイナス270度に冷やされています。世の中の一番低い温度がマイナス273度（絶対零度）なので、それより3度高いだけの極低温です。１億度のガス（プラズマ）の周りにマイナス270度が存在するという究極の技術が使われるのが核融合発電です。その技術は大変難しいと言われてきましたが、「大型ヘリカル装置」の実験成功で、実現可能であることが確認されました。その後完成した中国のEAST、韓国のKSTARという２つのプラズマ閉じ込め装置も、超伝導電磁石を使って実験を行っています。

☆超伝導電磁石を冷やすためにエネルギーが必要ですが、核融合発電が実現したら、発電量の数パーセントの電力で超伝導電磁石を冷やすことができます。

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新しいブログサイトへ引っ越しします｜「ゆるりと学ぶフュージョン」始めます

この「星のかけら核融合」というブログサイトでは、これまで核融合にまつわる情報を、できるだけ分かりやすく発信してきました。とくに、私の職場にある超高温プラズマをつくる実験装置大型ヘリカル装置（LHD）による重水素実験について、地元の方々の不安や誤解を、少しでも和らげたい── そんな思いで書き続けてきたブログです。その重水素実験もすでに終了し、このブログも当初の役目をひと区切り終えたと感じたことから、ここ2年ほど更新を止めていました。今回あらためて、「ゆるりと学ぶフュージョン」という新しいブログサイトを立ち上げることにしました。これから社会全体として、いよいよ「核融合発電所を実際につくっていこう」という段階に入りつつあります。その過程で、もし再び不安や誤解が広がってしまうと、せっかくの計画が進まなくなるおそれもあります。だからこそ、今あらためてやさしく、落ち着いて学べる場が必要だと感じました。また、国の方針などもあり、最近では「核融合発電」という言い方に加えて、「フュージョンエネルギー」という言葉も使われるようになってきました。「フュージョンって何？」「核融合とどう違うの？」そう感じる方も多いと思います。そこで、これまでこのブログでお伝えしてきた内容も大切に引き継ぎながら、用語は「フュージョン」に切り替え、より入門的で、ゆるやかに学べる形で再出発してみようと思いました。ぜひ、新しいブログサイト「ゆるりと学ぶフュージョン」にもお立ち寄りください。 ▶ 入口はこちらです https://yurufusion.hatenablog.jp/

大型ヘリカル装置（LHD）の重水素実験プロジェクト完了

私の働く「自然科学研究機構核融合科学研究所」の主力装置である「大型ヘリカル装置（通称、LHD）」が、2017年から行ってきた「重水素実験」を、2022年12月27日に完了しました（外部リンク：核融合科学研究所のHP ）。重水素実験というのは、水素の同位体である重水素ガスを用いたプラズマ生成実験です。（核融合反応を起こす核融合実験ではありません。）重水素をもう少し説明すると、下の絵のように、水素の原子核は陽子1個であるのに対し、重水素には、陽子に中性子がくっついています。水素と重水素は化学的性質はほとんど同じですが、重水素の方が重さが2倍になります。また、重水素は自然界にも0.015%だけ存在しています。どうして重水素を用いた実験を行ったかというと、現在各国が開発している核融合発電で使う燃料は、重水素と三重水素（これは3倍重たい水素）の2種類の水素の混合ガスなのですが、水素の種類によってプラズマの温度の上がり方に違いがあることが分かってきたからです。これまでの理論だと、重い水素の方が強い遠心力が働いて、磁場のかごから逃げていき、温度が上がりにくいと考えられていました。ところが、トカマク型の装置で逆の現象、つまり重水素の方が温度が上がりやすいことが分かってきました。理由は分かりませんが、核融合炉ではより重たい水素を使うので、これは悪いことではありません。そこで、ヘリカル型の装置でも、重水素の方が温度が上がりやすいかどうか、またそうであれば、その理由を調べることになったのです。実験の結果は明らかでした。2017年に重水素実験を開始してすぐに、それまでの水素の実験では最高温度が9,400万度だったのが、一気に1億2,000万度にまで温度が上がりました。これは核融合炉のプラズマに最低限必要な温度です。トカマク型だけでなく、ヘリカル型でも同じ現象が見られたということで、これが普遍的な現象だと分かりました。それからは、どうして重水素の方が温度が上がりやすいのかの解明に取りかかりました。様々な条件（加熱の方法、粒子の数密度、水素と重水素の割合など）で実験を行い、温度が上がりやすくなる条件を調べ、多くの成果が得られました。例えば、次のような研究成果があります。 https://www.nifs.ac.jp/news/researches/...

核融合実験装置からのエネルギー発生〜2022年のニュースから

つい最近、レーザー核融合実験装置が、投入した以上のエネルギーを発生したとのニュースが流れ、国内のテレビニュースでも報道されました。ここでは、今年の2月に発表された磁場核融合実験装置のエネルギー発生ニュースと合わせて紹介したいと思います。まず、基本的なところから説明します。核融合発電開発を目標にした実験装置でエネルギーを発生するためには、実燃料である重水素と三重水素（どちらも水素の同位体）を混合して、高温プラズマにする必要があります。その温度は 1億度です。その方法に二通りあって、このブログサイトで主に紹介している「磁場（閉じ込め）核融合」と「慣性（閉じ込め）核融合」の2つです。「磁場核融合」では、超伝導磁石で作られた強い磁場の容器（直径は10メートル級）の中に、真空状態に近い燃料ガスを入れ、外部から定常的に加熱することでゆっくりと超高温にします。一方、「慣性核融合」では、直径数ミリの球状の容器に燃料ガスを封じ込め、周囲からレーザー光線を当てて、瞬間的に（1ナノ秒=10億分の1秒程度の時間）、超高温にします。同じ温度にするにしてもプラズマの粒子密度と閉じ込め時間が全く違います。さて、先日（2022年12月）のレーザーを用いた慣性核融合のニュースから紹介します。成果を発表した装置は、ローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）にある国立点火施設（NIF）です。315万ジュール（3.15MJ）の核融合エネルギーが発生しました。この時、サッカースタジアム規模のレーザー発生装置から小さな燃料ペレットに与えられたエネルギーは205万ジュール（2.05MJ）でした。つまり、出力と入力が釣り合うブレークイーブンを越えたことになります（慣性核融合ではこれを「点火」と呼んでいます）。出力／入力を計算したものをQ値と呼ぶので、Q>1を達成したことになります。 NIFの内部写真（米国NNSAのfrickr （外部リンク）より）次は2022月2月に発表された英国の欧州トーラス共同研究施設（JET）という装置のエネルギー発生のニュースを紹介します。JETは磁場核融合の実験装置で、特にトカマク方式と呼ばれるものです。2021年12月21日の実験で、JETは5秒間に5,900万ジュール（59MJ）のエネルギーを発生しました。この時のQ値は0.33でした。ブレ...

核融合と核分裂の違い

★原子力発電所の事故以来、『核分裂』と言うべきところを『核融合』と言い間違えている発言をよく耳にするので、ここはしっかりと訂正しておきたいと思います。（こんな時期なので黙っておこうと思ったのですが、わたしにも少しは主張する権利があると思い・・） ★原子力発電所で起こる反応は『核分裂（カクブンレツ）』です。ウランのような重たい原子核が分裂して２つに割れることを『核分裂』といいます。（上側の絵）原子力発電所で『核融合』が起こることはありえません。（原子力発電所で起きた水素爆発は、水素と酸素の化学反応で、核融合ではありません）ついでに高速増殖炉（もんじゅ）も『核分裂』です。 ☆『核融合（カクユウゴウ）』は、水素のような軽い原子核が二つくっついて、一つになることです。（下側の絵）今、世界中で研究が行なわれている『核融合』発電は、水素をくっつけて（融合して）、ヘリウムにする制御された核融合反応を使います。その時、『核分裂』を使うことはありません。 ☆だから、次のことは自明です。『核融合』発電ではウランを使いません。だから、爆発もしないし、暴走もしないし、連鎖反応もしないし、再臨界もしないし、メルトダウンもしないし、核燃料もないし、核物質もないし、核不拡散問題もないし、高レベル放射性廃棄物もありません。【水素爆弾との違いは私の別の記事を参照ください】 ☆初期（まだ実現まで25~30年くらいかかるけど）の『核融合』発電も、トリチウム（三重水素）という放射性物質（半減期が12年）を扱うため、100%クリーンとはいえません。しかし、放射能漏れによる潜在的リスク（発電所が保有する放射性物質の強さの合計）は原子力発電の1000分の1以下です。だから最悪の事故を考えても、周辺住民が避難するような事態にはなりません。

プラズマを磁場で閉じ込める原理

☆ 核融合発電では，超伝導磁石で作った強力な磁場で１億度の水素ガスを閉じ込めます。閉じ込めるというのは，真空の容器の中で壁にぶつからないように空中に浮遊させることです。では，どうして磁石で水素ガスを閉じ込めることができるのでしょうか？ ☆「鉄」が磁石にくっつくというのは誰もが知っていることです。もう一つ磁石によって力が働き，動かせるものがあります。「電気の流れ」つまり「電流」です。ちょっと難しそうな話ですが，磁石によって電流に働く力を使ったものは身の回りにたくさんあります。洗濯機，冷蔵庫，パソコンのファンに使われているモーター，テレビのブラウン管，スピーカーなどすぐ身近にあります。（分解すると磁石が入っています。） ☆ １億度の水素ガスはプラズマ状態と呼ばれ，電子をはぎ取られた原子核が高速で飛び回っています。原子核はプラスの電気を帯びていて，これが走ると電流となり，磁場の中で力を受けます。そして図のように磁場のなかでクルクル回り出します。そして原子核は磁場にまとわりつき，逃げていかないというわけです。はぎ取られた電子も同じように電気を帯びているので、磁場にまとわりつきます。 ☆核融合の研究では，どのような形の磁場（磁石）を作れば，上手くプラズマを磁場の中に閉じ込めておけるかが重要なテーマとなっています。そこで大型ヘリカル装置ではねじれた形の磁石を使って，プラズマを閉じ込める研究をしています。

星のかけら核融合

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