高温超伝導を使って核融合炉を小型化～MITが民間から投資を受け研究開始

3月9日にMIT（マサチューセッツ工科大学）から「MITと新しく設立した会社が核融合発電に向けた新しいアプローチを立ち上げた～目標は15年以内にパイロットプラントを運転すること」というインパクトのある記事が発表されました。
http://news.mit.edu/2018/mit-newly-formed-company-launch-novel-approach-fusion-power-0309（外部リンク）

まず驚いたのが、このプロジェクトがイタリアの民間会社などから支援を受けてスタートすることです。（正確にはMITと会社が共同で新しい会社を作っているみたいです）資金は5,000万ドル（日本円で約50億円）です。日本の核融合研究で、民間企業からこれほどの支援を受けた例はありません。

次が、プラズマを閉じ込める磁場をこれまでの４倍に強くして、装置そのものを小型化しようという計画です。磁場を4倍にすると、理論上、核融合出力が10倍になります。磁場を4倍にするためには、もちろん新しい技術が必要です。そこで登場するのが、1980年代に発見されて、現在やっと市販されるようになった「高温超伝導体」と呼ばれる材料を使うことです。（高温と言っても、実際には氷点下の極低温で使用されます。従来の超伝導体に比べると少し高温で使えるという意味です。）上の写真が実際に購入した高温超伝導体の電線です。マイナス196度に冷やすと150アンペアの電流を流すことができます。（家庭のコンセントは15アンペア）写真を見て分かるようにカセットテープにそっくりの電線で、厚さは0.1ミリ、幅は4ミリしかありません。このような高温超伝導体の電線をコイル状に巻いて、電流を流すことで、強力な電磁コイルができるわけです。しかし、強力な磁場を作ると巨大な電磁力がかかるので、その支持は技術的に簡単なことではありません。

MITでは、今後３年間で3,000万ドルを研究費に使い、世界で最も強力で径の大きな電磁コイルを作るとしています。そしてそのコイルを使って、15年以内に100メガワット（10万キロワット）出力×10秒パルスのパイロットプラント（名前はSPARCトカマク）を完成させる計画です。（なお、これは核融合出力で、まだ電気への変換はしません。）そしてこの技術をもとに核融合発電所の開発に続いてきます。

米国は核融合発電に消極的と言われています。国家レベルではそうかもしれません。ところが、大学レベルで民間からの投資を呼び込み研究を進めるところは、日本の大学も見習わないといけないことです。かといって日本の企業が核融合研究に投資してくれるかは実際不透明なところですが。

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私たちは核融合反応によってできた「星のかけら」でできています

☆宇宙ができたとき、この世に存在する元素は水素、ヘリウム、リチウム、ベリリウムといった軽い元素だけでした。それらが集まって星になり、核融合反応を起こし、より重い元素に変わっていきます。水素はヘリウムに、ヘリウムは炭素や酸素に、最終的には鉄まで重くなっていきます。（鉄より重い元素はまた別の反応でできます）星は最後には超新星爆発によって宇宙に飛び散っていきます。その星屑が集まってできたのが、地球であり、人間なのです。つまり、人間は、核融合反応によってできた「星のかけら」なのです。 ☆天文学者のカール・セーガン著「人はなぜエセ科学に騙されるのか（上）」に次のような一節があります。「水素を別にすれば、人体を作っているすべての原子は、血の中の鉄にしろ、骨をつくるカルシウムにしろ、脳の中の炭素にしろ、何千光年もかなたの赤色巨星のなかで、何億年も昔に作られたものなのだ。『われわれは星屑でできている』というのは、私のお気に入りのセリフである。」

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。

重水素燃料を海水から取り出すためのエネルギー

☆ 核融合発電の燃料は重水素（水素の同位体）ガスです。海水中に無尽蔵に存在するため、枯渇する心配がありません。ところが、水素の中の重水素の存在比率は0.015%しかありません。「重水素を抽出するために、莫大なエネルギーを使わないのですか？」と質問をされることがあります。その質問にお答えしたいと思います。 ☆上の絵は、水の中の分子の様子を表したものです。ほとんどの水分子では、水素（青い玉）2個と酸素（黄色い玉）1個がくっついている状態が、ほんの一部だけは重水素（赤い玉）と酸素がくっついています。この重水素と酸素が結合した水のことを「重水」と呼びます。また普通の水素でできた水を「軽水」と呼びます。（「重水」と「重水素」は違うものですのでご注意ください。また実際には水素1個と重水素1個と酸素1個が結合した水分子があるのですが、話しを簡単にするためにここでは省略します。） ☆「軽水」と「重水」を分離する技術は、すでに工業化されています。新しい方法としては、電気分解を使う方法があります。電気分解（電気で水素と酸素に分解すること）すると、「重水」より「軽水」の方が早く分解します。だから部分的な電気分解を繰り返すと「重水」だけが濃縮されて残っていくというしくみです。 ☆「重水」ができれば、後はこれを、完全に電気分解すれば「重水素」ガスと酸素ガスに分解できます。重水素はこうのようにして生産されます。 ☆さて問題は、重水素の生産に必要なエネルギーです。生産過程では「重水」生産がほとんどのエネルギーを使います。論文で調べると、1kgの重水を生産するのに必要なエネルギーは57MWh（メガワット時）ということでした。一方、1kgの重水には200gの重水素が含まれてます。この重水素を使って核融合反応を起こすと38,000MWhのエネルギーが発生します。これは重水生産に必要なエネルギー（57MWh）の約700倍になります。つまり、燃料生産に必要なエネルギーは、発電されるエネルギーに対して十分に小さいという結果になります。（参考：R. Dutton他、Nuclear Engineering and Design 144 (1993) 269）

核融合発電のしくみ

☆下の絵は、核融合発電の仕組みを簡単に書いたものです。核融合発電の中心は「核融合炉」です。（火力発電では「ボイラー」、原子力発電では「原子炉」と呼びます）炉の中で燃焼しているのは、水素の仲間（重水素と三重水素）を真空状態に近い希薄なガスにし、１億度まで加熱したものです。これを『プラズマ』と呼びます。中では核融合反応が起きていて、反応で発生したエネルギーを熱として取り出して水を沸騰させます。そして蒸気でタービンを回し発電します。蒸気はもう一度海水で冷やして水に戻します。ここまでの話では、燃えているものが違うだけで、火力発電、原子力発電とおおまかな仕組みは同じです。（次世代の核融合発電では効率の高い直接発電も考えられています） ☆火力発電や原子力発電では燃焼している燃料から直接熱が発生し、熱を取り出すことができます。ところが核融合炉ではまず、核融合反応でできた高速で飛び出してくる素粒子、つまり中性子を周りを覆った厚さ１ｍのブランケットと呼ばれる部分で受け止めます。ブランケットで受け止められた中性子は速度を落とし、その落ちた速度に相当するエネルギーが熱に変わります。（この時のプランケットの温度は500度ぐらい）この中性子の運動エネルギーが熱エネルギーに変わるところが従来の発電と異なる点です。 ☆材料（主に金属）に中性子が当たると、機能が劣化したり、放射化（普通の材料が放射能を持つように変化）したりします。中性子が当たっても丈夫な材料、さらに放射化しにくい材料の研究が現在精力的に行われています。そして最初の核融合炉に使うことができる材料の候補もすでに見つかっています。当然のことですが、生体遮蔽（作業者や周辺の住民に中性子を含む放射線が当たらないようにすること）が絶対に必要ですが、その技術はすでに開発されています。 ☆プラズマが周囲の壁に触れてしまうと、プラズマの温度が下がって、核融合反応が止まってしまいます。そのために『磁場のかご』を使ってプラズマを空中に浮遊させます。（このとき壁とプラズマは離れていて、その間は真空になっています）この『磁場のかご』を作り出すのが、ブランケットの外側にある超伝導マグネットです。超伝導マグネットはマイナス269度という極低温に冷やされます。 1億度という超高温と...

夢の核融合反応

☆核融合反応は、軽い原子核同士を高速で（超高温状態で）衝突させて、少し重たい原子核に変換する反応です。原子核が融合するときに大きなエネルギーが発生します。 ☆温度が高くなるほど核融合反応は起こりやすくなりますが、最も起こりやすい重水素（記号D）と三重水素（記号T）の反応（D-T反応）でも温度を１億度にしなければなりません。最初の核融合発電で使われる反応は当然このD-T反応になります。この反応の短所は、反応によって中性子が発生し、中性子のエネルギーを熱に変換して発電しなければならないことです。 ☆さて、夢の核融合反応と言われているのは、重水素とヘリウム3の反応（D-3He反応）です。この反応では上記のD-T反応に比べて、中性子の発生量を数10分の1に減らすことができ、発生する水素の原子核（陽子）から直接電気をとり出すことができます。燃料のヘリウム３は、月、木星、土星にたくさんあることが知られていて、将来の宇宙時代のエネルギー源と考えられています。ところが温度は10億度（D-T反応の10倍）近くにしなければならず、プラズマの閉じ込めがかなり難しくなります。（初期のガンダムにこの反応が使われているという話を聞いたことがあります） ☆さらに究極的な夢の核融合反応が、通常の水素とホウ素の反応（p-11B反応）です。発生するのは、安定なヘリウムだけで、中性子が発生しません。ヘリウムの原子核は電気を帯びているので、これから直接電気が取り出せます。しかし、さらに超高温が必要で、磁場で閉じ込める方式では現在の技術の限界を超えています。 ☆しかし夢はいつか夢でなくなる時が来ます。それまで人類が存続できればですが。

星のかけら核融合

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