トカマクと呼ばれるドーナツ型の装置が長い間支配的だった核融合エネルギーの探索は、形を変えようとしているのだろうか?世界最大のトカマクであり、最も高価な数百億ドルの ITER が南フランスの丘で完成に近づくのと同じように、よりねじれた形状のはるかに小さなテストベッドがドイツでフルパワーに向けて調整を開始します。
ステラレータと呼ばれる幅 16 メートルの装置が、同様のサイズのトカマクに匹敵する、またはそれを上回る性能を発揮できる場合、核融合科学者はこの分野の将来を再考する可能性があります。ステラレータには、原子核を融合させてエネルギーを放出するのに十分なほど安定した状態で、そこに含まれる渦巻く超高温ガスを維持する自然な能力など、いくつかの重要な利点があります。将来の核融合発電所にとってさらに重要なことは、トカマクが電磁コイルをリセットするために定期的に停止しなければならないのに対し、理論的には実行して実行できることです。
Wendelstein 7-X (W7-X) と呼ばれる 10 億ユーロのドイツ製マシンは、わずか数秒ですでに「トカマクのような性能」を獲得していると、プラズマ物理学者の David Gates 氏は述べています。超高温ガス。 W7-X がロングランを達成できれば、「明らかに優位に立つでしょう」と彼は言います。 「ステラレーターが輝く場所です。」アイントホーフェン工科大学の理論家 Josefine Proll も同様に熱心です。「突然、ステラレーターがゲームに戻ってきました」有望な見通しは、ゲイツ氏が現在プリンストン プラズマ物理学研究所を離れている企業を含む一連の新興企業に刺激を与え、独自のステラレータを開発しています。
W7-X は、ドイツのグライフスヴァルトにあるマックス プランク プラズマ物理学研究所 (IPP) で 2015 年から運用されていますが、比較的低い出力レベルで短期間しか稼働していません。過去 3 年間で、W7-X の作成者はそれを取り除き、すべての内壁と付属品を水冷バージョンに交換し、より長く、より熱く走る道を開きました。先週の W7-X 理事会で、チームは改良されたプラズマ容器に漏れがなく、準備ができていると報告しました。将来のデバイスで核融合に点火する条件にプラズマを本当に到達させることができるかどうかを示す途中で、今月後半に再開される予定です.
ステラレータとトカマクはどちらも、摂氏 1 億度を超えるガスの磁気ケージを作成するため、金属製の容器が溶けてしまうほどの高温です。加熱は、マイクロ波または高エネルギー粒子ビームによって提供されます。異様な温度は、分離した原子核と電子がうねる混合物であるプラズマを生成し、原子核が融合してエネルギーを放出するような力で原子核を衝突させます。核融合発電所は、最も反応しやすい水素同位体である重水素とトリチウムの混合物で燃料を供給します。エネルギーを生成しようとしない W7-X のような研究機械は、放射性トリチウムを避け、より安全で豊富な水素または重水素に固執します。
プラズマを閉じ込める磁場を作るために、トカマクとステラレータは、容器の周りをループし、中央の穴を通る電磁コイルを採用しています。しかし、そのような電界は、外縁よりも穴に近い方が強く、プラズマが原子炉の壁に向かってドリフトします。
トカマクはリングの周りにプラズマを流すことでドリフトを抑えます。その流れは別の磁場を生成し、イオン化されたガスをキャンディーの杖のようにねじり、安定させます。ステラレータは、プラズマを流す代わりに奇妙な形状の磁気コイルを使用してねじれを生成します。トカマク方式は、プラズマを所定の位置に保持するのに優れていることが長い間証明されてきましたが、プラズマ物理学者が十分に強力なスーパーコンピューターを手に入れると、ステラレーター磁石の複雑な形状を微調整して閉じ込めを改善することができました。これは最適化と呼ばれるプロセスです。
W7-X は、最適化された最初の大型ステラレータであり、50 個の奇妙にねじれた超伝導コイルを含み、それぞれの重さは 6 トンです。 1990 年代半ばに開始されたその建設は曲がりくねっており、完成は 10 年遅れ、当初の予算 5 億 5,000 万ユーロのほぼ 2 倍の費用がかかりました。
待たされたにもかかわらず、研究者は失望していません。 「マシンはすぐに機能しました」と、W7-X ディレクターの Thomas Klinger 氏は言います。 「とても扱いやすいマシンです。 [それは]私たちがやるように言ったことをしただけです。」これは、トカマクとは対照的です。トカマクは、「不安定性」 (予測できない方法でのプラズマの膨らみやぐらつき) またはより激しい「混乱」を起こしやすく、多くの場合、プラズマの流れの中断に関連しています。ステラレータはプラズマ電流に依存しないため、不安定性の「ブランチ全体を取り除く」ことができると、IPP 理論家のソフィア・ヘネバーグは述べています。
初期のステラレータでは、磁場の形状により、動きの遅い粒子がバナナの形をした軌道をたどり、他の粒子と衝突してプラズマからノックアウトされ、エネルギーが漏れ出しました。その影響を抑制する W7-X の能力は、その「最適化が想定どおりに機能した」ことを意味します、と Gates 氏は言います。
このアキレス腱が取り除かれると、W7-X はほとんどの場合、粒子を壁に向かって押し出す小さな渦など、他の形態の乱気流によって熱を失います。乱気流のシミュレーションにはかなりの計算能力が必要であり、理論家がそれを扱えるようになったのはごく最近のことです。 W7-X の今後のキャンペーンでは、シミュレーションを検証し、乱気流と戦う方法をテストする必要があります。
このキャンペーンでは、トカマクのパルス動作とは対照的に、ステラレータが連続して動作する能力も紹介する必要があります。 W7-X はすでに 100 秒 (トカマクの標準では長い) の動作をしていますが、出力は比較的低くなっています。コンポーネントが冷却されていなかっただけでなく、デバイスのマイクロ波および粒子加熱システムは 11.5 メガワットの電力しか供給できませんでした。アップグレードにより、暖房能力が 60% 向上します。 W7-X を高温、高プラズマ密度で長時間実行することは、ステラレータが核融合パワーを生み出す可能性を実際にテストすることになります。クリンガー氏によると、最初の目標は、イオン温度を 100 秒間で摂氏 5000 万度まで上昇させることです。これにより、W7-X は「世界をリードするマシンの 1 つになる」と彼は言います。次に、チームはそれをさらに長く、最大 30 分間プッシュします。 「未知の領域を探索しながら、一歩一歩進んでいきます」と彼は言います。
W7-X の業績により、ベンチャー キャピタリストは、商用電力を生成するステラレータを開発するいくつかのスタートアップを支援するようになりました。スタートアップにとっての最優先事項:磁石を作るためのより簡単な方法を見つけてください。
ゲイツと同僚によって今年設立されたプリンストン・ステラレーターズは、300万ドルを確保し、W7-Xのツイスト・マグネット・コイルを廃止するデモ用原子炉の建設を目指している。代わりに、プラズマ容器の外面にある高温超伝導体 (HTS) で作られた約 1000 個の小さな正方形コイルのモザイクに依存します。各コイルによって生成される磁場を変えることにより、オペレーターは適用される磁場の形状を自由に変えることができます。 「コイルから複雑さを取り除き、制御システムに組み込みます」と Gates 氏は言います。同社は当初、安価で豊富な重水素を核融合させて電力を生成するのではなく、放射性同位元素を製造するための中性子を生成する原子炉を開発したいと考えています。成功すれば、会社は発電用原子炉を目指します。
フランスのグルノーブルに本拠を置く Renaissance Fusion は、1,600 万ユーロを調達し、多層 HTS でプラズマ容器のセグメントをコーティングして、均一なコーティングを形成する計画を立てています。次に、レーザーを使用して、エンジニアは超伝導体内のトラックを焼き払い、磁気コイルのねじれパターンをエッチングします。彼らは、今後 2 年間で 1 メートルの長さのテスト セグメントを作成し、2027 年までに完全なプロトタイプを作成することを目指しています。
ウィスコンシン州マディソンにある 3 番目の会社である Type One Energy は、米国エネルギー省から資金提供を受け、ステラレータ マグネットで使用するのに十分な曲げを備えた HTS ケーブルを開発しました。同社は、コンピューター制御のエッチング マシンで金属片を彫刻し、ケーブルを巻いてコイルにするツイスト チャネルを刻みます。ウィスコンシン大学マディソン校の共同創設者である David Anderson 氏は、次のように述べています。
アンダーソン氏は、W7-X の運用の次の段階では、ステラレータへの取り組みのブームが加速すると述べています。 「30分の退院で、あなたは本質的に定常状態です」と彼は言います. 「これは大したことです。」
