の科学者 ローレンス リバモア国立研究所 は 12 月に主要な核融合マイルストーンを通過し、核融合反応に火をつけ、つかの間、それを引き起こすために使用されたよりも多くのエネルギーを生成しました。
この成果は、70 年以上前に熱核兵器を製造した分野である核融合研究の最高水準点ですが、電力を生成できる原子炉はまだありません。 制御核融合の科学的および工学的課題は手ごわいものです。
しかし、実験は何ですか LLNL の国家点火施設、別名 NIF は、科学と、二酸化炭素をまったく放出せずに家庭や車に電力を供給する新しいエネルギー源の夢を意味しますか?
要するに、それは大したことであり、拍手を送るのは良いことですが、それはグリーン エネルギー革命が差し迫っていることを意味するものではありません。 核融合発電の進歩が実を結ぶまでにはまだ何年もかかり、おそらく 10 年ほどかかるでしょう。 太陽光発電と風力発電への今日の投資を継続することは、気候変動と闘うために不可欠です。 ここでは、これまでの出来事と今後の予定について説明します。
フュージョンとは？
核融合は、水素やヘリウムなどの 2 つの軽い元素が融合して、1 つの重い元素になるときに発生します。 この核反応は、太陽の周りで最大の核融合炉が示すように、多くのエネルギーを放出します。
ただし、原子核は正に帯電しているため、互いに反発し合うため、地球上で核融合を起こすのは困難です。 太陽の巨大な質量は、その斥力に打ち勝つ途方もない圧力を生み出しますが、地球上では他の力が必要です。
核融合には、慣性閉じ込めと磁気閉じ込めという 2 つの一般的なアプローチがあります。 慣性閉じ込めは通常、レーザーを使用してペレットを強力にザッピングし、核融合燃料を圧縮する爆発を引き起こします。 それが NIF が使用する方法です。
もう 1 つのアプローチは、磁場を使用します。 核融合エネルギーを商業化しようとしている企業の間では、より広まっています。
NIFでの実験は何を達成しましたか?
核融合反応が生成したエネルギー (315 万ジュール) は、レーザーが反応を引き起こすために放出した 2.05 メガジュールを超えた核融合の臨界しきい値を超えました。 核融合研究者は入力エネルギーに対する出力エネルギーの比率を Q で表しますが、核融合反応が Q = 1 を超えたのはこれが初めてです。
核融合炉は、エネルギー生成が実用化される前に、Q = 10 のしきい値に到達する必要があります。 それは、フランスの ITER と呼ばれる別の大規模な政府資金によるプロジェクトを含め、誰もが目指していることです。 また、核融合炉は、NIF よりもはるかに頻繁に Q = 10 に到達する必要があります。
ある意味では、これは学術的なマイルストーンであり、核融合実験が何十年も前から目指してきたものです。 しかし、フュージョンが実現しないという評判を考えると、これは可能性を示す重要な証拠です。 核融合は未来のエネルギー源であり、常にそうであるというよく引用される皮肉な発言を繰り返す前に、もう少し注意深く考えてください。
NIF 実験はグリーン電力にとって何を意味するのか?
いくつかの理由から、それほど多くはありません。 第一に、ほとんどの商用核融合エネルギー プロジェクトは、NIF のレーザー ベースのアプローチではなく、さまざまな形態の磁気閉じ込めを使用しているため、エンジニアリングの課題は異なります。 別の例としては、NIF は、核兵器の研究に資金提供された 35 億ドルの巨大な国立研究所プロジェクトであり、最も競争力のあるコストでグリッド用の信頼できるエネルギーを生成するように設計されたプロジェクトではありません。
「将来の核融合プラントが NIF のようになるとは思わないでください。」 プリンストンの物理学者ウィルソン・リックスは言った ツイートで。 NIF のレーザーと、核融合熱を電力に変換する際の非常に非効率な設計は、本質的に非現実的です。 比較において、 “磁気閉じ込め核融合は、いくつかの本当の約束を保持しています」とツイートした。
核融合のコストを下げることは、その成功にとって重要です。なぜなら、安定した電力供給を生み出すことができる今日の核分裂ベースの原子炉のような炭素ゼロの代替物と競争しなければならないからです。
“核融合の最初の競争相手は核分裂です、」リックスと他の研究者 プリンストン プラズマ物理研究所 で結論づけられた 10月の研究論文、まだピアレビューされていませんが、送電網での核融合の見通しを評価しています。 彼らは、核融合の高コストが十分に下がることができれば、将来の核分裂プラントの必要性を置き換えることができ、さらに下げることができれば、太陽光とエネルギー貯蔵の組み合わせと競合する可能性があると期待しています.
NIF は大規模で複雑なサイトです。 核融合発電所を、工場ラインから出てくるような安価で小型のユニットで構築できれば、生産コストは低下するはずです。 これは、ライトの法則、経験曲線または学習曲線と呼ばれる現象のおかげであり、太陽光発電と風力発電のコストは着実に低下しています。 核融合プラントが大きくなり、よりカスタマイズされればされるほど、コストの低下は少なくなり、核融合の競争力は低下します。
NIF の結果から、直接的ではない利益が少なくともいくつかありますか?
はい。 科学者は、核融合物理モデルを更新して、外部ソースに依存するのではなく、独自の熱を供給しているという事実を説明することにより、NIF実験からいくらか利益を得ることができると、アンドリュー・ホランド最高経営責任者（CEO）は述べた. 核融合産業協会、業界の擁護団体。
また、特に核融合エネルギーに対する長年の懐疑論を考えると、注目も役立つ可能性があります。
TAEテクノロジーズ CEO の Michl Binderbauer は、NIF の結果を「核融合時代の夜明けへの大きな足がかり」と呼び、核融合エネルギーが実際にもっともらしいことを示す重要な例であると述べた。
投資家も気づいている。 のダウンロード Fusion Industry Associationの年次報告書核融合エネルギーの新興企業への 48 億ドルのベンチャー キャピタル投資を詳述した . それを要求する人の多くは投資会社からのものである、と彼は付け加えた。
核融合はNIFでどのように機能しますか?
NIF は、合計 4 メガジュールのエネルギー レベルを持つ 192 個の強力な赤外線レーザーを使用して核融合を引き起こします。これは、時速 100 マイルで走行する 2 トンのトラックとほぼ同じです。 それはまず2メガジュールの紫外線に変換され、次にX線に変換され、核融合燃料のペッパーコーンサイズのペレットに当たる。
強力な X 線により、ペレットの外層が爆発的に吹き飛ばされ、ペレットの内部が圧縮され、融合が引き起こされます。 その核融合からの熱は、燃料がなくなるか、偏って行き詰まるまで反応を維持します。
ローレンス リバモア国立研究所の国立点火施設は、サッカー場 3 つ分の大きさです。
ローレンス リバモア国立研究所
核？ 水素？ 原子物理学について教えてください
もちろん！ ここで簡単に復習します。
地球上のすべてのものは小さな原子でできており、それぞれが中心核と負に帯電した電子の雲で構成されています。 原子核は中性子とプラスに帯電した陽子からできています。 原子核内の陽子が多いほど、元素は重くなります。
水素は通常、陽子 1 個と電子 1 個を持っています。 重水素と呼ばれる珍しい種類にも中性子があり、原子炉または核融合炉を使用して、中性子が 2 つあるトリチウムと呼ばれる 3 番目の種類を作ることができます。
鉄の錆びや木材の燃焼などの化学反応は、これらの正電荷と電荷が原子の相互作用を引き起こすときに発生します。 対照的に、原子核が分裂したり結合したりすると、核反応が起こります。 ここ地球では、核反応を起こすのに必要な力を集結させるのが難しいため、原子爆弾よりも蒸気エンジンを作る方が簡単です。
原子を十分に加熱すると、エネルギーが非常に高くなり、電子が解放されます。 結果として生じる負に帯電した電子と正に帯電した核の雲はプラズマと呼ばれ、地球上の室温で私たちが慣れ親しんでいる固体、液体、気体よりもエキゾチックな物質の状態です。
太陽はプラズマでできており、核融合炉も水素原子核をエネルギー的に十分に跳ね返らせるためにプラズマを必要とします。 プラズマの便利な特性は、荷電粒子を磁場で操作できることです。 これは、多くの核融合炉の設計にとって重要です。
核融合燃料には何を使っていますか?
NIF および他のほとんどの核融合プロジェクトでは、DT 燃料と呼ばれる重水素とトリチウムという 2 つの重いバージョンの水素が使用されます。 しかし、水素ホウ素や重水素ヘリウム 3 など、他の選択肢もあります。重水素ヘリウム 3 は、より一般的な 2 つの中性子の代わりに 1 つだけの中性子を持つヘリウムの一種です。
重水素とトリチウムを融合させるには、摂氏約 1 億度 (華氏 1 億 8000 万度) というなんとも言えない温度までプラズマを加熱する必要があります。 他の反応はさらに高く、たとえば水素-ホウ素核融合の場合は約 10 億度です。
重水素は通常の水からろ過して取り除くことができますが、数年かけて放射性崩壊するトリチウムを手に入れるのは困難です。 それは原子炉で製造でき、原則として、将来の核融合炉でも製造できます。 ただし、トリチウムは核兵器の爆発を促進するために使用され、慎重に管理されるため、管理は複雑です。
その核融合反応をどのように力に変えますか?
重水素とトリチウムの核融合反応により、高速で移動する単独中性子が生成されます。 それらの運動エネルギーは、核融合炉チャンバーを取り囲み、中性子が衝突すると加熱される液体の「ブランケット」に捕捉されます。
その熱は水に移されて沸騰し、従来の蒸気タービンに動力を供給します。 その技術はよく理解されていますが、まだ誰もそれを核融合炉に接続していません。 実際、今日建設されている第一世代の核融合発電炉は、Q=1 を超えるように設計されていますが、電力を取得するようには設計されていません。 それは、開発の次の波で到着すると予想されるパイロット プラントを待つことになります。
核融合は核分裂とどう違うのですか?
今日の原子炉に動力を与える核分裂は、核融合の反対です。 核分裂では、ウランのような重い元素が軽い元素に分裂し、その過程でエネルギーを放出します。
人類は何十年もの間、熱核兵器を使って核融合を達成してきました。 これらの設計は、ウランやプルトニウムなどの物質を互いに叩きつけて核分裂爆発を引き起こし、二次的でより強力な核融合反応を開始するために必要な途方もないエネルギーを提供します。
爆弾の場合、プロセスは一瞬で発生しますが、エネルギー生産のためには、核融合を制御して維持する必要があります。
核融合炉は放射性廃棄物を生成しますか?
はい、一般的にはそうですが、核分裂炉ほど面倒ではありません。 1 つには、放射性物質の放出のほとんどは短命のアルファ粒子 (一対の陽子と一対の中性子を持つヘリウム原子核) であり、簡単にブロックされます。 高速で移動する中性子は、他の物質と衝突し、他の放射性物質を生成する可能性があります。
核融合炉の中性子出力は一般にコンポーネントを劣化させ、定期的な交換が必要になるため、数年ごとにおそらく数か月続くダウンタイムが必要になる可能性があります。 ただし、核分裂発電所の高レベル核廃棄物よりもはるかに扱いが簡単です。
水素-ホウ素核融合は、重水素-トリチウム核融合よりも達成が困難ですが、その魅力の一部は、中性子や付随する放射性物質を生成しないことです。 このアプローチを追求している最も著名な企業は TAE Technologies です。
核融合発電の安全上のリスクは何ですか?
核融合発電所には、福島やチェルノブイリ サイトのような核分裂炉で問題を引き起こしたメルトダウンのリスクはありません。 融合反応がうまくいかないときは、ただ消えてしまうだけです。
しかし、大量の電力や高圧蒸気など、主要な産業サイトで見られる重大な運用上の問題はまだあります。 言い換えれば、大きな問題は、今日の核分裂原子力発電所の 1 つよりも、工業用地で見られる問題に似ています。
したがって、融合には真の利点があります。 NIF は、核融合エネルギーに未来があることを示すのに役立ちます。 しかし、まだ道のりは非常に長いです。