核融合発電の仕組み【2021改訂版】

 ☆下の絵は、核融合発電の仕組みを簡単に書いたものです。核融合発電の中心にあるのは「核融合炉」です。（火力発電の「ボイラー」、原子力発電の「原子炉」に相当します）核融合炉の中では、水素の同位体（重水素と三重水素）を真空状態に近い希薄なガスにし、１億度まで加熱します。これを物質の第４の状態である『プラズマ』と呼びます。最も温度の高いプラズマの中心部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（超臨界圧の）蒸気に変えます。そしてこの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、エネルギーの源が違うだけで、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、その熱を直接取り出すことができます。ところが核融合炉の燃料部分であるプラズマは、温度は高いものの希薄であるため、ここから直接熱を取り出せるわけではありません。核融合炉ではまず、核融合反応で発生し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減速させ捕獲します。ブランケットの中で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。中性子はエネルギーの源なので、ほとんどは核融合炉から外に逃げないようになっています。でも完全ではありません。当然のこととして、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、その技術はすでに確立されています。中性子は、プラズマが消えれば発生しません。プラズマを消す手段はいくつかあって、簡単に消すことができます。

☆プラズマが周囲の壁に触れてしまうと、瞬時にプラズマが消えて、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マイナス269度という極低温が数メートルほどの距離で接近しており、いかに熱を遮断するかということも工学的に難しい技術です。ですが、1998年に日本（岐阜県）に建設された大型ヘリカル装置は、世界で初めて超伝導マグネットだけでプラズマを閉じ込めることに成功しました。さらに2017年には、プラズマの温度を1億度以上にすることにも成功しています。核融合発電はもう夢の技術ではありません。