核融合とはいったい何なのだろうか？

核融合がニュースに戻ってきました。 今週、米国エネルギー省は、核融合発電研究における「主要な科学的ブレークスルー」と呼ばれるものを発表しました。 初めて、核融合実験は、反応を開始するために使用されるエネルギーよりも多くのエネルギーを生成しました. 核融合の進行について聞いたのはこれが初めてではありません。 大小さまざまなブレークスルーを宣伝する見出しが何十年もあり、通常は、核融合から必要となるすべてのクリーン エネルギーの生成にこれまで以上に近づいていることを暗示しています。

取り入れることが多いので、 ザ・バージ 何人かの専門家の助けを借りて、核融合パワーに関するこのガイドをまとめてください。 以下、まとめました 核融合に対する科学者の夢と、技術が直面する厳しい現実 融合の力を科学的な野心から商業的な現実へと導きます。

核融合は、1世紀の大部分の間、とらえどころのないエネルギーの夢でした。 理論的には、それは一種の単純に聞こえます。 太陽を含む星は、核融合と呼ばれるプロセスを通じて独自のエネルギーを生成します。核融合とは、原子が高温高圧で融合することです。 より重い原子を作る。 通常、これには水素原子が含まれます。 結合してヘリウムを形成します。 この反応は大量のエネルギーを放出するため、地球上の科学者は制御された方法でエネルギーを複製したいと考えています。 （彼らは以前、制御されていない方法でそれを行うことができました. 水素爆弾といいます.)

私たちが今日持っている原子力発電所は、 分裂、これは一種の融合の反対です。 核分裂は、原子を融合させるのではなく、原子を分割することによってエネルギーを放出します。

理論的には、人間が制御された方法で核融合を起こす方法を理解すれば、可能性は無限大です。 水素は、宇宙で最も単純で最も豊富な元素です。 たとえば、海水から得ることができます。 もしそうなら、1ガロンの海水は300ガロンのガソリンに匹敵するエネルギーを生み出すことができます。 エネルギー省によると.

今日の原子炉は、核分裂のおかげで片付けなければならない大きな混乱を抱えています。 重く割ることで 原子、核分裂の葉 放射性廃棄物. 何百万年もの間、その核廃棄物をどうするかは、米国がまだ解明していない環境上の悪夢です。

Fusion にはこれらの問題はありません。 核融合では、新しい原子を構築しています。通常は、風船の中にあるもののように、ヘリウムです。 これ 温室効果ガスを排出しません。 さらに、これは天候に依存しない無限の可能性を秘めたエネルギー源であり、太陽光や風力などの再生可能エネルギーでは依然として課題となっています。

結局のところ、実験室で星を再現するのは本当に難しいのです。 核融合を引き起こすには、途方もない量の圧力と熱が必要です。 太陽の中心部の環境は、核融合が起こるために必要な極度の圧力を自然に提供します。 ここ 地球上では、科学者はそのような圧力を受けていません。 太陽よりも暑い 同じ反応を得るために。 歴史的に見て、科学者が実験室で核融合によって実際に生成できたよりも多くのエネルギーが必要です。

これには、莫大な金額と高度に専門化された技術も必要です。 これらすべてを念頭に置いて、私たちが何らかの科学的進歩を達成できたことは驚くべきことです. 実際に商品化？ これには、あとで説明する別の山の問題があります。

12 月 5 日月曜日の午前 1 時 3 分、ローレンス リバモア国立研究所の研究者たちは、地球上で初めて「核融合点火」を達成しました。

簡単に言えば、「彼らは燃料のペレットに向けて大量のレーザーを発射し、レーザーのエネルギーよりも多くのエネルギーがその核融合点火から放出された」とホワイトハウス科学技術政策局長のアラティ・プラバカールは述べた. 記者会見 12月13日に達成を発表。

具体的には、レーザーが核融合反応を引き起こすために使用した 2.05 メガジュールと比較して、この実験では 3.15 メガジュールのエネルギーが得られました。 これは、約 1.5 のエネルギーの増加です。 それはささやかなものですが、それにもかかわらず、正味のエネルギー増加を達成することは、核融合研究にとって重要な最初のことでした.

研究者は、世界最大かつ最高エネルギーのレーザー システムを使用しました。 国家点火施設 (NIF). NIF はフットボール競技場 3 つ分の大きさで、1 つのターゲットに 192 の強力なレーザー ビームを発射することができます。 核融合点火に到達するために、これらの 192 のレーザー ビームからのエネルギーは、ほぼコショウの実の大きさで鏡の 100 倍滑らかなダイヤモンド カプセル内に燃料を絞り込みます。 カプセルには水素同位体が含まれており、その一部が「融合」してエネルギーを生成します。 全体として、その燃料の約 4% がエネルギーに変換されました。

ローレンス リバモア国立研究所のターゲット製造プログラム マネージャーである Michael Stadermann 氏は、12 月 13 日の記者会見で次のように述べています。 「ご想像のとおり、完璧を目指すのは非常に難しいことです。そのため、私たちはまだそこに到達していません。私たちの殻には、バクテリアよりも小さな小さな傷がまだ残っています。」

対称性は、ターゲットとその爆縮の両方に関して、着火を達成する上で大きな役割を果たします。 レーザーは適切に配置する必要があり、ターゲットに関しては、ほぼ完全な対称性を維持しながら、強い圧力と熱でターゲットを爆破する必要があります。 完璧な球形を維持しながら、バスケットボールをエンドウ豆のサイズに圧縮するようなものだと専門家は言います。 その形状から外れると、運動エネルギーを浪費しすぎて着火しません。

ロングショットではありません。 ラボは「点火」を達成しましたが、レーザーの出力のみに焦点を当てた「正味エネルギー利得」の限定された定義に基づいて達成しました。 レーザーは目標に向けて 2.05 メガジュールのエネルギーを発射しましたが、グリッドからなんと 300 メガジュールを消費しました。 それを考慮に入れると、この実験ではまだかなりのエネルギーが失われました。

最終的に核融合発電所を手に入れるには、1.5 の正味エネルギー増加よりもはるかに大きな勝利が必要です。 代わりに 50 から 100 のゲインが必要になります。

やるべきことがたくさんあります. 研究者は、その完全に対称的な球体を目指して、より正確なターゲットを作成しようと常に試みています。 これは信じられないほど労働集約的です。 シカゴ大学の理論物理学者 Robert Rosner 氏によると、今日では 1 つのペレット ターゲットの費用が約 10 万ドルかかる可能性があります。 Rosner は以前、NIF の外部諮問委員会の委員を務めていました。 Rosner 氏によると、核融合が商業化されるためには、1 ペレットあたりのコストを数ペニーまで下げる必要がある。

また、レーザーを使用して再び点火に到達したい場合は、より効率的で、はるかに高速に動作するセットアップが必要になります。 強力な NIF は、1980 年代のレーザー技術に基づいています。 今日ではより高度なレーザーがありますが、国立点火施設は巨大です — その建設は 1997 年に開始され、運用されていませんでした 2009年まで. 現在、NIF は 4 ～ 8 時間に 1 回レーザーを発射できます。 ローレンス リバモア国立研究所のプラズマ物理学者であるタミー マー氏によると、将来の核融合発電所は 1 秒間に 10 回発射する必要があります。

「これは 1 回の発火カプセルです。 核融合エネルギーを商用化するためには、多くのことをしなければなりません。 ローレンス・リバモア国立研究所所長のキム・ブディル氏は記者会見で、1分間に非常に多くの核融合点火イベントを生成できなければならない. 「科学だけでなく、テクノロジーにも非常に大きなハードルがあります。」

ええ、確かに、点火をトリガーするために使用される戦略はレーザーだけではありません。 もう1つの主要な戦略は、磁場を使用して、プラズマ燃料を閉じ込めるという装置を使用することです。 トカマク. トカマクは、NIF よりもはるかに安価に構築できます。 民間企業でさえトカマクを建造しているため、この分野ではより広範な研究が行われています。

トカマクはまだ点火に達していません。 しかし、それが使用する磁石は、核融合反応をより長期間持続させる可能性を秘めています。 (NIF では、核融合反応は数分の 1 ナノ秒以内に発生します。) 最終的に、研究のいずれかの分野でのブレークスルーは、核融合力をより身近なものにするのに役立ちます。

「私たちは丘の頂上に着きました」とクイーンズ大学ベルファストの物理学教授である Gianluca Sarri 氏は語ります。 ザ・バージ. 彼は、着火の達成は本質的に、核融合電力研究における「最も困難なステップ」であり、まだ長い道のりがあるとしても、ここから本質的に「下り坂」であると述べています.

とは言っても、点火に到達することは、私たちのエネルギーシステムの実用化よりも科学的なブレークスルーのほうが多く、少なくとも今後何年もかかることはありません.

しかし、核防御と核不拡散に関して言えば、点火に到達することは、より直接的な影響を与える可能性があります.

NIF は当初、米国が核兵器の備蓄を実際に爆破することなく維持するのに役立つ実験を行うために開発されました。 の 1996年 包括的核実験禁止条約 地球上のすべての核爆発を禁止し、地下での実験的爆発に終止符を打ちました。 NIFは翌年着工した。 12月5日の実験で最終的に達成できた核点火は、核爆弾が爆発したときに起こる制御されていない核融合を本質的に模倣しています. 実験室で制御された方法で着火に到達することで、研究者が開発したコンピューターモデルを検証して、ライブテストの爆発を置き換えることができるようになることが期待されています.

最も楽観的な専門家 ザ・バージ 10年以内に最初の核融合発電所ができるかもしれないという希望を語った. しかし、ほとんどの専門家は、核融合発電の未来にまだ興奮しているものの、まだ数十年先になる可能性が高いと考えています。

どれだけ時間がかかったとしても、核融合エネルギーがエネルギーシステムから汚染を一掃するのを 10 年以上待つ余裕はありません。 地球温暖化が人類の適応に苦戦するレベルに達しないようにするために、 リサーチ は、世界が 2050 年頃までに温室効果ガス排出量を正味ゼロまで削減する必要があることを示しています。2030 年までに、化石燃料からの二酸化炭素排出量を約半分に削減する必要があります。 これは、核融合研究がこれまでに達成できたものよりもはるかに速い現実世界の進歩です.