世界最大の核融合炉であるジョイント ヨーロピアン トーラス (JET) の 40 年間の実行の頂点に立つ実験で、研究者は本日、制御された核融合エネルギーの生成に関する記録を打ち破ったと発表しました。 2021 年 12 月 21 日、英国に本拠を置く JET は、水素同位元素のガスを摂氏 1 億 5000 万度に加熱し、原子核が融合するまで 5 秒間安定させ、59 メガジュール (MJ) のエネルギーを放出しました。時速 160 キロで走行するセミトレーラー トラック。パルスのエネルギーは、25 年前に JET によって設定された 22 MJ の以前の記録の 2.5 倍以上です。プリンストン プラズマ物理研究所 (PPPL) のディレクターであるスティーブン カウリーは、「5 秒間にわたって高出力を維持するショットを見るのは驚くべきことです」と述べています。
ただし、JET の成果は、核融合で生成された電気がすぐに送電網に流れ込むことを意味するものではありません。研究者は、生成された反応の約 3 倍のエネルギーをガスに投入する必要がありました。しかし、この結果は、フランスで建設中の巨大な核融合炉である ITER の設計に自信を与えるものであり、供給されるエネルギーの少なくとも 10 倍のエネルギーを排出することになっています。「これは ITER にとって非常に良いニュースです」と述べています。アルベルト・ロアルテ、ITER 科学部門の責任者。 「それは私たちの戦略を強く裏付けるものです。」
核融合は、将来のグリーン エネルギー源として長い間推進されてきました。太陽に動力を与えるのと同じ核反応が地球上で再現できれば、少量の核廃棄物と温室効果ガスなしで豊富なエネルギーを提供できます。しかし、正味のエネルギーを生み出すことは、とらえどころのないことが証明されています。 2021 年 8 月、192 個の収束レーザー ビームで燃料の小さなペレットを加熱して粉砕することで核融合を引き起こす国立点火施設の研究者は、この損益分岐点の 71% に到達したと報告しました。
JET と ITER は、持続的なエネルギー生産により適した別のアプローチを表しています。どちらもトカマクです。強力な磁石のグリッドに包まれたドーナツ型の容器で、超高温の電離ガスまたはプラズマを所定の位置に保持し、容器の壁に触れて溶かすのを防ぎます。 1980 年代の研究者は、JET と PPPL のライバル マシン (現在は解体されている) がすぐに損益分岐点に達すると信じていました。 JET は 1997 年に接近し、入力電力の 3 分の 2 に達する短い 1.5 秒のバーストを生成しました。
しかし、進歩が遅いため、1990 年代に研究者は、JET の 10 倍のプラズマを保持する幅 20 メートルの巨大なトカマク ITER を設計するようになりました。モデルが予測したように、プラズマの体積が大きくなると、熱が逃げにくくなるため、核融合状態がより長く維持されます。中国、欧州連合、インド、日本、韓国、ロシア、米国が資金を提供する 250 億ドルの ITER は、2025 年に運転を開始する予定ですが、2035 年まで大量の電力を生産することはありません。エネルギーを生成する同位体である重水素と三重水素 (D-T) の燃焼を開始します。
JET の初期の運用は、ITER の設計者に重要な教訓を教えてくれました。 JETは溶けにくいのでカーボンで裏打ちしました。しかし、それは「スポンジのように燃料を吸収する」ことが判明したと、JET のプラズマ操作の専門家である Fernanda Rimini は言います。そのため、ITER の設計者はベリリウムとタングステンという金属を使用することにしました。
しかし、彼らがどのように機能するかは誰にもわかりませんでした.JETはテストベッドを提供しました. 2006 年から、エンジニアは磁石、プラズマ加熱システム、および内壁をアップグレードして、可能な限り ITER に似たものにしました。 2011年に再開したとき、兆候は良くなかったと、当時、欧州連合のユーロフュージョン機関に代わってJETを運営する核融合エネルギーのカルハムセンターの所長だったカウリーは言います. 「私たちは同じ [ハイパワー] 体制に入ることができませんでした。」
JET チームは、何が起こっているのかを丹念に解明しました。彼らは、高エネルギーのプラズマ イオンがタングステン イオンを壁からノックアウトし、エネルギーを放射し、プラズマから熱を放出することを発見しました。何年にもわたって、チームは対処戦略を練り上げました。窒素、ネオン、アルゴンなどのガスの薄い層を容器の壁の近くに注入することで、プラズマの最外縁を冷却し、イオンがタングステンに衝突するのを防ぐことができます。 「少しずつパフォーマンスを取り戻しました」とカウリーは言います。
2021 年 9 月、JET の研究者は、再設計されたマシンで何ができるかを確認するために着手しました。それは、燃料をD-Tに切り替えることを意味しました。ほとんどの核融合炉は、通常の水素または重水素で動作します。これにより、放射性と希少性の両方であるトリチウムの複雑さを回避しながら、プラズマの挙動を調べることができます。しかし、JET のスタッフは、実際の発電条件で自分のマシンをテストしたいと思っていました。まず、20 年間使用されていなかった原子炉のトリチウム処理施設を復活させなければなりませんでした。これは、各ショットの後に廃ガスから未燃焼のトリチウムと重水素イオンを抽出し、それらをリサイクルするものです。
最近の成功は ITER の土台を整え、その設計者の完全な金属壁への賭けが報われるべきであることを示しています。 「これは、私たちが適切なレベルのリスクを負ったことを裏付けています」と Loarte 氏は言います。しかし、JET にとって、D-T ランは白鳥の歌のようなものです。 JET オペレーションの責任者である Joe Milnes 氏は、原子炉は 2022 年半ばから 2023 年末まで、閉鎖する前にもう 1 回実験を行う予定であると述べています。 「これまでで最も成功した核融合実験でした」と彼は言いますが、「バトンを ITER に渡す時が来ました」
