ITER 核融合炉プロジェクトの科学顧問は、技術的なリスクを高める可能性がある設計のいくつかの重要な変更を推奨していますが、過剰なエネルギーを生成する道をスムーズにすることもできます。 ITER の科学技術諮問委員会 (STAC) によって先週行われた勧告は、11 月に ITER 理事会全体によって承認される必要があります。しかし、承認された場合、予想通り、「後で驚きの可能性が減少します」と、ITERの閉じ込めおよびモデリング部門の責任者であるアルベルト・ロアルテは言います。 「リスクは報われるだろう。」
国際協力によってフランスで建設中の ITER は、太陽に動力を与える反応である核融合を地球上で制御してエネルギーを生成できることを示すことを目的としています。しかし、その目標を達成するには、水素ガスを 1 億 5000 万℃以上に加熱して、水素原子核が融合するのに十分な力で衝突する必要があります。これを行うために、研究者はトカマクと呼ばれる巨大なドーナツ型の容器を構築して、非常に強力な磁場を使用してイオン化されたガスまたはプラズマを閉じ込めています。 ITER の目標は、プラズマを加熱して 500 メガワット (MW) の熱を発生させることです。これは、プラズマの加熱に必要な 50 MW の電力の 10 倍です。この乗算効果は 10 のゲインとして知られています。
STAC 会議で決定された最も重要な変更は、ダイバーターと呼ばれるトカマク船の基部の構造に関するものです。その主な機能は、核融合反応の「排気」ガスであるヘリウムを除去することです。ダイバータは、超高温プラズマが実際に固体表面に触れる容器の唯一の部分であるため、表面 1 平方メートルあたり 10 MW もの大量の熱を吸収できなければなりません。
既存の計画では、炭素の外層を備えた ITER の最初のダイバータを作成する必要があります。これは安全なオプションです。カーボンはトカマクのインテリアで十分に証明されています。温度に簡単に耐えることができます。プラズマに吹き飛ばされたとしても、パフォーマンスにはあまり影響しません。ただし、炭素の問題は、水素とうまく反応し、原子をその構造に結合することです。これは、研究者がマシンで単純な水素またはヘリウムを使用して動作のコツをつかむことを計画している ITER 運用の初期段階では問題になりません。しかし、研究者が実際の核融合燃料 (水素同位体である重水素とトリチウムのより反応性の高い混合物) への切り替えを計画している段階では、炭素コーティングが大きな問題になる可能性があります。トリチウムは放射性であるため、慎重に管理し、考慮する必要があります。原子力規制当局は、トリチウムを吸収するダイバーター物質を決して受け入れないため、場所を特定できません.
この問題に対処するために、プランナーは炭素コーティングされたダイバータで数年間 ITER を実行し、その後タングステン製のダイバータに切り替えることを提案していました。タングステンの融点は金属の中で最も高く、3422℃です。通常の安定した ITER 運用中に生成される熱に耐えるには、これで問題ありません。しかし、予期せぬ熱の爆発はダイバータを溶かす可能性があり、炭素とは異なり、タングステンは即座にプラズマを毒し、核融合を停止させます.そのため、ITER のオペレータは、タングステン ダイバータを使用して原子炉をより注意深く運転する必要があり、プラズマが不安定になる可能性のある限界まで押し込まないようにする必要があります。
タングステンのこの欠点にもかかわらず、STAC は、ITER を最初からタングステン ダイバータで構築することを推奨しています。 「簡単な決断ではありませんでした」と、マドリッドにあるスペイン国立核融合研究所の責任者である STAC 議長のホアキン サンチェスは言います。この決定は、他のトカマク研究所、特に、サイズと設計において ITER に最も近いマシンである、英国のカルハムにあるジョイント ヨーロピアン トーラス (JET) での長年の研究の後に下されました。数年前、JET の研究者は原子炉にタングステン ダイバータとベリリウム ライニングを取り付けました (ITER のように)。 1 年間のテストの後、彼らはこの「ITER のような壁」が ITER に問題を引き起こさないほど十分に機能することを確認しました。
一部の核融合研究者は、十分に理解された炭素ダイバータを使用して ITER を開始する方が安全であり、高性能を求めて原子炉を極端に押し上げることができると考えていますが、タングステンから開始することにも利点があります。ダイバーターの変更は、何ヶ月もかかる複雑なプロセスです。さらに、重水素-トリチウム燃料での運用が開始されると、容器の内部は放射性 (または「活性化」) になり、内部コンポーネントの変更がはるかに困難になります。 「タングステンから始めれば、変更のコストを節約できます」と Sánchez 氏は言います。 「タングステンの方が難しいことはわかっていますが、非活性化段階の早い段階で学習を開始し、問題が発生した場合は内部に人を派遣して修正することができます.」
その他の設計変更は、プラズマの制御を微調整するために原子炉容器内に挿入される 2 つの別個の磁気コイルに関するものです。 ITER の主要なプラズマ閉じ込め磁石は容器の外側にあり、鈍器のような役割を果たします。約 5 年前、研究者は、オペレータがプラズマの垂直位置を安定に保つのが難しいという事実を強調し、内部にいくつかの追加の磁気コイルを提案しました。
垂直方向の安定性のためのものに加えて、研究者は、エッジ局在モード (ELM) と呼ばれる超高温核融合プラズマの厄介な現象に対処するために、2 番目の内部コイル セットを取り付けることを提案しました。 ELM は、核融合中にプラズマ内にエネルギーが蓄積されたときに発生し、予期せずエッジから爆発して、ライニングやダイバータに損傷を与える可能性があります。 2 番目のセットのコイルは磁場を展開してプラズマの表面を粗くし、不規則なバーストではなく一定の速度でエネルギーを漏らします。
容器内のあらゆるものは極度の熱、放射能、磁力にさらされるため、研究者は、これら 2 組のコイルが生き残るのに十分な弾力性を持つように STAC を説得しなければなりませんでした。 「設置の技術的な問題のため、STAC と ITER 機構には多少の抵抗がありました」と Loarte 氏は言います。世界中の他の研究所での実験は、彼らを安心させました。 「得られた結果は非常に肯定的でした」と彼は言います。
STAC はまた、ITER のコンポーネントの納入スケジュールを精査しました。当初の計画では、2020 年に ITER が完了するまでに、加熱システム、機器、ELM 緩和策などすべてを整備する必要がありました。 「[重水素-トリチウム操作の達成] と一致するロジックでスケジュールをやり直す必要がありました。以前は一貫性がなく、それが批判につながりました」と Loarte 氏は言います。 「次は組織的な部分をやらなければなりませんが、これは単純ではありません。」
