ITER 核融合炉プロジェクト (現在フランスで建設中の巨大な国際共同プロジェクト) にかかっている最大の疑問符の 1 つは、その内壁をコーティングするためにどのような材料を使用するかということです。結局、原子炉は 100,000°C の温度と激しい粒子衝撃に耐えなければなりません。
研究者は現在、現在の世界最大の核融合装置である、英国オックスフォード近くのジョイント ヨーロピアン トーラス (JET) を、ITER で計画されているものと同様のライニングで再装備することによって、その質問に答えています。タングステンとベリリウムの組み合わせである JET の新しい「ITER のような壁」は、以前の核融合炉で使用されたライニングよりもゆっくりと侵食され、保持される燃料が少ない、とチームは報告している。 「これは非常に良いニュースでした。ITER 用の材料の選択が正しかったことを意味するからです」と JET のタスク フォース兼セッション リーダーである物理学者 Peter de Vries 氏は述べています。
核融合は太陽と星に動力を与えるプロセスであり、潜在的に完璧なエネルギー源です。必要な燃料は簡単に入手でき、事実上無尽蔵であり、このプロセスでは温室効果ガスや長寿命の核廃棄物が発生しません。燃料には、重水素と三重水素 (核内にそれぞれ 1 つと 2 つの余分な中性子を持つ水素の形態) が必要です。これらを加熱してプラズマ (電離ガス) を形成する必要があります。約 1 億 5000 万°C に達すると、原子核は大きな力で衝突し、相互の反発に打ち勝ち、新しい大きな原子核に融合します。反応の生成物は、ヘリウム原子核と非常にエネルギーの高い中性子であり、そのエネルギーは後で熱の形で収穫されます。
しかし、厳しい現実は、この融合プロセスを制御された方法で実行するのはまったく簡単ではないということです.現在好まれている技術は、トカマクと呼ばれる原子炉を使用することです。これは、強力な電磁石を使用して、ドーナツ型の原子炉容器内にプラズマを閉じ込めます。磁石は、核が融合するのに十分な時間、プラズマを容器の壁から遠ざけることを目的としていますが、プラズマはしばしば予測できない方法で移動する可能性があります。プラズマが壁に触れると、壁が反応温度以下に冷却され、核融合反応を害するライニング材料の原子が洗い流される可能性があります。そして、トリチウムは放射性同位体であり、原子炉のオペレーターは非常に慎重に考慮しなければなりません。原子炉の壁に埋め込まれたトリチウムは、骨の折れる作業で取り除かなければなりません。
そもそもプラズマを加熱するために投入された以上のエネルギーを生成した核融合炉はまだありません。しかし、研究者たちは、中国、欧州連合、インド、日本、ロシア、韓国、およびアメリカ。
最初の壁として知られている初期の核融合炉で最も一般的な原子炉内張りは炭素でした。これは、高温や侵食に対して非常に耐性があり、原子が侵入してもプラズマを汚染しないためです。炭素の大きな欠点は、重水素と三重水素を非常に喜んで吸収することです。トリチウムを定期的に使用する最初の原子炉である ITER では、トリチウムの吸収を最小限に抑える必要があるため、炭素は排出されます。
完璧な素材は存在しないため、妥協して2つの異なる素材を使用する予定です。最初の壁の大部分は、プラズマ汚染が最も少ない金属であるベリリウムでコーティングされますが、プラズマと接触すると融点が低くなります。トーラスの底にはダイバータと呼ばれる構造があり、プラズマからヘリウムを抽出するため、原子炉の排気管のようなものです。ダイバータは意図的にプラズマと接触しているため、より頑丈なコーティングが必要です。このために計画されているのは、プラズマの大部分よりも低いダイバータ領域の熱に耐えることができるタングステンを使用することですが、一部が侵食されてしまうと、プラズマをかなりひどく汚染します。
ダイバータのタングステン要素は、「地球の大気圏への再突入時にスペースシャトルのノーズコーンが経験する熱流の2倍の安定した熱流を処理するように設計されています」と、プラズマ壁相互作用およびダイバータのリーダーである物理学者のリチャード・ピッツは述べています。 ITERの物理グループ。原子炉の設計者は、ダイバータが主要な操作である交換前に何年にもわたるプラズマ操作に耐えられることを望んでいます。 「ダイバータを交換しなければならないということは、容器の内部が放射性になったため、プラズマの生成を停止してからロボットを送り込む必要があることを意味します。この遠隔操作は困難で時間のかかるプロセスであり、ITER で 6 ～ 12 か月を必要とします。 」と、新しい研究には関与していなかったピッツは言う.
これが、ITER チームが、提案されたライニングが機能することを絶対に確認したかった理由です。それを行うために、彼らは、1980 年代に建設された原子炉であり、エネルギー生産の現在の核融合記録保持者である 16 メガワットの原子炉である JET の助けを借りました。 「実際のところ、JET は ITER にとって非常に重要です」と Pitts 氏は言います。原子炉の材料とプロセスをテストするための重要な実験環境です。 2010 年 5 月から 2011 年 5 月まで続いた JET の最新のオーバーホール中に、容器の内壁とダイバータのコンポーネント (以前は主に炭素で作られていました) が、ITER 用に計画されたものに置き換えられました。ダイバータの壁とタングステンの要素。
このアップグレードされた JET マシンの操作中に得られた結果は非常に肯定的です。ベリリウムの壁は、プラズマの影響下で、以前の炭素の壁よりもはるかにゆっくりと侵食されたと、チームは先月の会議で報告しました。しかし、さらに重要なことは、10 分の 1 の割合で燃料を保持したことです。 「燃料の滞留は大きな問題でした。プラズマからのトリチウムが炭素に吸収されると、後で放出される可能性があります。これにより、プラズマ内の燃料を制御することが非常に困難になります」と JET の de Vries 氏は言います。 「さらに、ITER に保持されるトリチウムの総量を制限する必要があります。そうしないと、安全上の問題が発生する可能性があり、原子炉を停止する必要があります。」
ただし、JET と ITER の間には、各プラズマ パルスの持続時間など、規模の大きな違いがあります。 JET では、プラズマは約 40 秒間しか維持されません。これは、大量のデータを収集するのに十分な時間です。 ITER は、少なくとも 10 分間のパルスで動作します。これは、プラズマに直面している物質により大きな影響を与えることを意味します。これらの長いパルスと同様に、ITER のサイズが大きくなることで、必然的に、ダイバータ材料はその寿命中にさらに多くの粒子によって衝突されることになります。 「ITER のダイバータは、JET の同じコンポーネントが 10 年間で取得するよりも、1 日の動作でより多くの粒子を捕捉します」と ITER の Pitts 氏は言います。このため、オランダの基礎エネルギー研究所は Magnum-PSI と呼ばれる装置を構築しました。これは、ITER のように非常に強い磁場の存在下で、ITER ダイバータで予想される連続的な粒子の流れに試験面をさらすことができる世界で唯一の機械です。
JET は現在、一時的に使用を停止しており、一般的な内張りからのベリリウムのタイルとダイバータからのタングステンのタイルがロボット アームによって取り除かれ、侵食パターンが細心の注意を払って調査されています。 2013 年初めに再び始動する予定です。その後、研究者はタングステンの一部を意図的に溶かして何が起こるかを確認したいと考えています。 「ダイバータへの低レベルの損傷がプラズマによって許容されることを願っています。これは、タングステン ダイバータ ターゲットで ITER を開始することを計画する際の最大の未知数です」と Pitts 氏は言います。
