核融合 – 究極のクリーンエネルギーソリューションが間近に

星の力

原子力は多くの人々の間で悪い評判を持っている。チェルノブイリや福島のような災害がその評判を汚したことを考えると、それは部分的には正当化される。

反対意見を持つ人々もおり、原子を分裂させない限り、エネルギー生産方法としては原始的で非効率だと考えている。また、原子力エネルギーは炭素排出量が少なく、ベースロード電力として非常に安定している点も指摘している。

原子力エネルギーは、 将来のエネルギーミックス特に 4^th 原子炉の世代が稼働し始めるよりクリーンで、より安全で、より効率的になります。

しかし、これらの原子炉はすべて、原子力の概念に依存している。 核分裂ウラン、トリウム、プルトニウムなどの非常に重い原子を取り出し、軽い元素に分解するときにエネルギーを集めます。

原子力エネルギーのもう一つの形態は原子力である 融合非常に軽い元素を融合させてより重い元素を作り出すことに依存しています。

核融合は文字通り宇宙の原動力であり、すべての星は巨大な核融合炉です。毎秒、 太陽は600億トンの水素を消費するちなみに、これは太陽が70,000万年ごとに地球全体の質量と同じ量の水素を消費することを意味します。

面白いことに、太陽エネルギー（風力、バイオマス、そして究極的には化石燃料も）は、実際には追加のステップを除けば、太陽からの核融合エネルギーにすぎないことを意味します。

したがって、地球上でこれをほんの少しだけ再現できれば、事実上無限のエネルギー供給源を利用できるようになります。比較的希少なウランやトリウムとは異なり、水素は宇宙に存在する全物質の 74% を占めています。

核分裂対核融合

天然ガスや石油などの分子を燃焼させると、分子の化学結合に含まれるエネルギーが放出されます。これはかなり高いレベルのエネルギーですが、原子自体に含まれるエネルギーの範囲には遠く及びません。

これが理由です ウラン1kgには石炭2.7万kgと同じ量のエネルギーが含まれている水素は核融合するとさらに強力になります。

原子力エネルギーについて議論するとき、なぜ核融合と核分裂の両方からエネルギーを生成できるのか理解するのは混乱を招く可能性があります。

その理由は、原子核に含まれるエネルギーが元素の重さによって異なるからです。重い元素の核は中程度の重さの元素よりも多くのエネルギーを持っているため、核分裂すると、そのエネルギーの一部が熱と放射線として放出されます。この熱を集めて原子力発電所で電力を生産します。

しかし、非常に軽い元素はさらにエネルギーが強いです。そのため、それらを中程度の重さの元素と結合すると、さらに多くのエネルギーが放出されます。

出典： 自然

その結果、核融合は原子分裂よりも3～10倍のエネルギーを生み出すことができます。

最も軽い元素である水素の極めて豊富な存在と組み合わせると、理論的には核融合は宇宙全体の物質の総量によってのみ制限される無限のエネルギー源となります。

太陽系内でも、巨大ガス惑星や彗星の雲には地球全体の質量をはるかに超えるほどの水素が含まれています。

現実的に考えると、現在のエネルギー消費量の 1,000 倍を使用する人類文明であっても、燃料が枯渇することは決してありません。

さらに良いことに、水素核融合の結果として生じるヘリウムは、無毒で軽く、化学的に反応しないガスです。そのため、プロセスが終了しても厄介な核廃棄物は発生しません。

融合は難しい

なぜ人類の文明は未だに核融合によって動かされていないのでしょうか?

まあ、問題は、核融合を実現するのが難しいということです。水素原子の核は正電荷を持ち、自然に互いに反発します。そのため、核融合を起こすのに十分な距離まで近づけるのは、2 つの超強力な磁石が反発し合うのと同じように、非常に難しい場合があります。

自然界では、水素原子を核融合を引き起こすのに十分な距離まで押し寄せるには、恒星全体の圧倒的な重力が必要です。木星ほどの大きさのものでも、核融合を実現するには「小さすぎる」のです。

したがって、地球上で水素原子を近づけるのは非常に困難です。

しかし、これはすでに行われており、1950 年代に核融合装置によって初めて達成されました。これらの装置は核融合を起こす可能性を実証しましたが、核融合を引き起こすために使用されたエネルギーと比較して十分なエネルギーを返すことができませんでした。

(T技術的には、大規模な核融合は1952年に最初の熱核爆弾によってすでに達成されていたが、これは安全な電力供給を作り出すためにはほとんど使える技術ではない。).

核融合のもう一つの問題は、核融合プラズマが非常に高温で、通常は摂氏100億度以上になるということです。そのため、これを完全に封じ込めなければ、原子炉が溶けてしまいます。

解決すべき問題が山積しているため、核融合は「核融合は常に30年先の未来だ"。

重力の置き換え

核融合反応を引き起こすのに使われるエネルギーと比較して、核融合から十分なエネルギーを再び作り出すという問題は、この分野で繰り返し議論される問題です。核融合は非常に難しいため、ほんの数個の水素原子を圧縮するだけでも、非常に多くのエネルギーを消費します。

これまでにいくつかの方法が提案されてきました。

それぞれが「機能する」ことが実証されており、水素やその他の軽い元素を融合させて重い元素に変え、エネルギーを放出します。

トカマク

核融合炉は磁場を備えたドーナツ型の空間を作り出し、そこに核融合プラズマを封じ込めます。

これは現在、商業用核融合炉に最適化される可能性が最も高いと考えられている設計の1958つです。最初のトカマクはXNUMX年に建設され、 ITER （国際熱核融合実験炉）は、​​商業用核融合を開発するための最大の研究努力であり、 ほぼすべての技術的に先進的な国々がこのプロジェクトに参加している.

出典： DOE

しかし、ITER は大きな遅延を伴う問題を抱えたプロジェクトであり、最近では、エネルギー生成反応は 2039 年より前には起こらない可能性があると発表されました。

その他の磁石 核融合炉

トカマク以外にも、磁石を使用してプラズマを圧縮し閉じ込める設計があります。これには、ステラレータ、スフェロマク、コンパクトトーラスが含まれます。

ステラリアクターでは、ドーナツ型は不規則でねじれている。理論的には、これにより核融合反応の持続時間が長くなり、プラズマがより安定する。実際には、構築が非常に難しく、トカマクよりも難しいと考えられてきた。この余分なレベルの複雑さも コンピュータ上でモデル化するのが難しくなり、予測が難しくなり、構築コストが高くなる。.

スフェロマック トカマクに似ていますが、磁場を誘導する方法が多少異なります。

コンパクトトロイド トーラス（ドーナツ型）の中心に磁気コイルを配置せずに核融合を実現し、複雑な磁石の必要性を減らします。

レーザー

磁石で水素原子を圧縮する代わりに、レーザーを使用する別の方法では、水素原子を非常に高温にして互いに衝突させ、瞬時に衝撃波を発生させて水素原子を押し付けます。

良い例は 米国国立点火施設 (NIF)は、192 本の強力なレーザー光線を鉛筆の消しゴムほどの大きさのターゲットに誘導、増幅、反射、集束させます。これにより、500 点に XNUMX 兆ワットのピーク出力がもたらされます。

出典： 英国の

これは、将来的に実現可能な商業用核融合を実現する可能性があると考えられているもう 1 つの主要な設計です。

磁石ベースの核融合は、複雑な数学と超伝導材料科学に苦労しています。レーザー誘導核融合は、エネルギーを適切に伝達し、核融合が起こるのに十分な密度と均質性を維持することに苦労しています。

電動プッシュ

核融合を人工的に実現する最後の方法は、電流を使って磁場を発生させ、プラズマをより強く圧縮することである。 磁化ターゲット融合 (MTF).

そのような方法の一つは Zピンチ別の方法としては、空気圧ピストンとプラズマの注入を使用します。粒子加速器でも同じ原理を実現できるかもしれません。

出典： IEEE

一般的に、これらの設計は、トカマクやレーザーベースの核融合よりもはるかにコンパクトになる傾向があります。

特に、これは民間の核融合会社が好むアプローチである。 一般的な融合 と ヘリオン.

商業融合へのステップ

収量

上で説明したように、核融合はまだ実験的な分野であり、商業的に実現可能な設計への明確な道筋はまだありません。

全体的に、核融合炉の収率は向上しており、核融合を誘発するために注入されたエネルギーから、徐々により多くの核融合エネルギーが得られるようになっていることを意味します。

2022年、米国国立点火施設の研究者らは「投入したエネルギーよりも多くのエネルギーを生み出す反応を生み出した"。

実際には、この主張は少し誤解を招くものです。レーザー駆動の設計では、実際に 2.05 メガジュールのエネルギーが供給され、核融合によって 3 メガジュールのエネルギーが生成されました。

これは、2.05メガジュールのレーザーを生成するために、 これらのレーザービームを生成するために、322メガジュールのエネルギーに相当する総電力が消費された。そのため、実際には、そのモデルで「本当の」プラスの収益を得るには、総エネルギー収益は 100 倍も小さすぎます。また、実際には、発生した熱のすべてを電力に変換できるわけではないため、それよりもさらに低くなります。

それにもかかわらず、これは重要なマイルストーンであり、素晴らしい成果です。

プラズマの安定性と反応持続時間

鍵となるのは、前回のエネルギー放出がさらなる核融合を引き起こすのに十分である、自立型核融合反応の状況を評価することです。最近まで、核融合反応はせいぜい数十秒しか続きませんでした。将来商業的に実現可能な原子炉では、より安定したプラズマのおかげで、そのような反応は数十分、あるいは数時間も続く可能性があります。

これは多くの人が予想していたよりも接近しているかもしれない。 フランスのWEST（定常状態トカマクにおけるタングステン（W）環境）装置で達成された6分間の核融合の新しい記録.

これは、タングステンのような先進的な材料の革新的な使用が、従来の核融合炉設計を大幅に改善する道を開く可能性があることを示しています。タングステンと、この分野で見つけにくい投資機会の詳細については、当社の記事「タングステン – 秘密のハイテク金属"。

安価な超伝導体

このステップは、特に磁石ベースの核融合炉の設計に必要ですが、他の設計にも必要です。通常、電力レベルによっては、システムのどこかに超伝導材料を使用する必要があるためです。

幸いなことに、より優れた超伝導体、さらには室温超伝導技術が急速に進歩しています。その詳細については、当社の記事「超電導の進歩が新たな技術革命への道を拓く"。

AI

プラズマは、他の 3 つ (固体、液体、気体) とはまったく異なる、非常に複雑な物質の状態です。非常に高温で、全体的に非常に不安定になります。

不安定なプラズマは原子炉内に長く閉じ込められず、核融合プロセスを妨げる傾向があります。

これを補うために、原子炉の磁石は磁場をリアルタイムで調整し、プラズマを常に安定させようとします。それに関連する数学は気が遠くなるほど複雑で、特に原子炉の磁石に正しい反応を指示するためにそれらを素早く実行する必要がある場合、スーパーコンピューターでさえ苦労することがあります。

最近の記事で報告したように、AIの進歩により、この状況は変わる可能性がある。そこで、AI がプラズマ内の不安定性の発生を最大 300 ミリ秒前に予測する方法を学習した方法について説明しました。

「不安定性が発生するのを待って、プラズマが混乱する前に迅速な是正措置を講じる必要はもうありません。」

安全性

核融合は本質的に核分裂よりもはるかに安全です。プラズマが膨張すると核融合反応は自動的に停止するため、暴走連鎖反応の危険はまったくありません。

しかし、核融合が大規模な電源となる前に、いくつかの安全上の問題に対処する必要があります。

• 多くの原子炉設計では、トリチウムが使用されています。これは、これらの核融合反応は重水素-重水素核融合よりも誘発しやすいためです。ただし、トリチウムは放射性であるため、原子炉が故障すると、(小さな)放射能汚染につながる可能性があります。
• プラズマの不安定性と高エネルギー物理学には固有のリスクが伴います。継続的な発電操作中にオペレーターの安全を確保し、原子炉を損傷から守るには、適切な安全手順と、おそらく設計の最適化が必要になります。
• 核融合は時折中性子を生成し、それが原子炉の壁をゆっくりと放射性廃棄物に変えていきます。量はごくわずかですが、これらの廃棄物は部品や原子炉全体の寿命が尽きた時点で適切に処理する必要があります。

求心性トピック

宇宙核融合推進

現在、核融合は主に地球上の発電における可能性のために研究されています。核融合を習得することで大きな恩恵を受けるもう一つの分野は、宇宙探査と植民地化です。

核融合炉は、燃料質量に比べて非常に高い効率と極めて高い温度により、深宇宙の推進システムに最適です。

理論上は、化学エンジンや核分裂エンジンなどの代替手段に比べて、燃料消費量が少なく、非常に速い加速と移動時間を実現でき、乗組員の安全性も向上します。宇宙へのアクセスのしやすさと、水素が宇宙に豊富に存在することも、さらなる利点です。

実際には、地球上で設計を習得したとしても、宇宙船に搭載できるほど小型で軽量な核融合炉を作るのは難しいかもしれない。

核融合が商業的に実現可能になれば、 宇宙ベースの経済（核融合の有無についてはこちらの記事で議論しています）、そして人類は瞬く間に宇宙を旅する種族となるでしょう。

コールドフュージョン

常温核融合は議論の多いテーマです。概念的には、低温でプラズマなしで核融合が達成できるという考えです。

提案されている方法は、水素原子を捕らえて強制的に融合させるような形状変化を起こす材料を使用することです。これを実現するために、パラジウム、エルビウム、チタンなどの水素を注入した金属が提案されています。

1989年、研究者のスタンレー・ポンズとマーティン・フライシュマンは、そのような融合を達成したと主張した。残念ながら、科学界による長年にわたる研究結果の再現は、これまでのところ成功していない。 その結果、科学の質が低い、あるいは完全な詐欺であるという非難を受けることになります。

次のような論争は、この概念のイメージを永久に傷つけることになるでしょう。それにもかかわらず、この概念は現在でも少数の科学者によって研究されており、通常は「低エネルギー核反応 (LENR)」、「凝縮物質核科学 (CMNS)」、「化学支援核反応 (CANR)」という名前で呼ばれています。

2020年代には、この分野への関心が再び高まり、真剣でない研究という汚名を払拭しようとしています。特に、米国政府機関は ARPA-Eは2023年に低エネルギー核反応（LENR）を研究する研究グループに資金を提供するための少数の助成金を発表した。、次の 2020年にNASAの研究者が達成した興味深い結果.

常温核融合は現在、非常に不確実で推測の域を出ません。しかし、この分野に真剣かつ十分な資金を投じた研究が復活すれば、状況が明らかになり、これが核融合実現への実行可能な道となるかどうかが決まるかもしれません。

バブルフュージョン

もう一つの考え方は、泡が崩壊するときに核融合が起こる可能性があるというものです。たとえば、水中に超音波を当てると泡が形成される可能性があり、この考え方はソノフュージョンとも呼ばれます。

理論的には、液体中の泡の崩壊によって生じる衝撃波は、レーザーによって誘発される衝撃波とまったく同じように、核融合を引き起こすほど強力である可能性がある。これは、 ソノルミネセンス (泡が崩壊するときに発生する光の放出はまだ解明されていない)。

このアイデアは常温核融合と同じくらい物議を醸しており、その主な推進者は広く批判されている。.

しかし、このアイデアは、過去 20 年間の論争で思われたほどには、消滅したわけではないかもしれない。

2024年XNUMX月、「重水素化チタン粉末の音響キャビテーション中の中性子放出の観察非常に権威のある科学誌「ネイチャー」に発表された論文では、チタン粒子と混合した重水の泡による潜在的な核融合現象を検出したと主張している。

我々は数時間にわたって中性子生成を維持することができ、様々な条件下で実験を何度も繰り返した。観測された中性子は、衝突するキャビテーションジェットの機械的作用によりチタン格子に溶解した重水素イオンの核融合から生じたものと仮定している。

チタン格子（常温核融合のような）とキャビテーション（気泡）の組み合わせは、非常に興味深いものであり、非常に権威のある査読付き学術誌に発表されることで、この分野への関心が再燃し、「常温気泡核融合」が予想外の科学的躍進となるかもしれない。

民間セ​​クターの参入

プラズマ物理学と核融合の分野は、その発足以来、主に公的資金による政府研究によって推進されてきました。

これは理にかなっています。なぜなら、それらは核兵器開発プログラムに非常に有用であり、例えば、米国の国立点火施設は当初、核融合の研究というよりも、核兵器実験の代替として開発されたからです。

核融合は直接的な商業的応用のない科学分野であるため、その資金は主に公共部門と学術部門から提供される必要がありました。

これは、次の 3 つの要因の収束により変化しています。

1. この分野での数十年にわたる経験により、無料でアクセスできる膨大な知識が蓄積され、営利企業で働くことができる科学者が育成されました。
2. 核融合はこれまで以上に商業的に実現に近づいているようで、投資家の熱意が高まっています。また、「ムーンショット」スタイルの投資が現在人気を集めており、核融合は小惑星採掘と並んで究極のムーンショットとなり、それぞれエネルギーと原材料の不足の問題を永久に解決する可能性があります。
3. 気候変動、地政学、資源枯渇のすべてが重なり、豊富なカーボンニュートラルなエネルギー源に対する需要が高まっています。

そのため、核融合への取り組みの新たな波は現在、民間企業によって推進されており、原子炉の設計を根本から見直し、新しい方法を調査し、SpaceXなどの企業が宇宙飛行で達成した成果（これまでは不可能と思われていたロケットの再利用など）を核融合分野で再現しようとしています。

フュージョンカンパニー

現在、核融合を商業的に実現可能にすることに専念している企業のうち、上場している企業は一つもない。これには、 ヘリオン, 一般的な融合, 連邦融合, TEAテクノロジーズ, ZAPエネルギー、NEO Fusionなどがあります。 Dealroomの専用ページには、核融合分野のスタートアップ企業の広範なリストが掲載されています。.

1. 一般的な融合

ジェネラル社は、核融合を公的資金による物理学プロジェクトではなく、民間セクターのベンチャーにするという取り組みを先導する新興企業の1つである。

同社は、磁化ターゲット融合 (MTF) 技術の開発を目的として、2002 年に設立されました。

同社は、MTFがエネルギープラス核融合へのより短い道であり、コストも大幅に削減されると期待している。ジェネラル・フュージョンは、2010年に世界で初めて発電所規模の小型トロイドプラズマインジェクターを製造し、稼働させた。 それ以来、多くのマイルストーンを達成しました.

出典： 一般的な融合

同社は100年に2025億度の核融合を達成し、2026年にはエネルギー収支均衡（核融合による収益のプラス）に向けて前進することを目指している。その前に、1/5^th スケールモデルは2023年に作成され、そのパフォーマンスはコンピュータモデルの期待と一致しました。

全体として、General Fusion は 2 年を費やして最終設計のコア技術を段階的に構築し、その過程でそれぞれをテストし、少なくともこれまでのところはアイデアを正常に検証してきました。

民間企業であるため、ITERのような国際プロジェクトとは異なり、設計変更について議論したり交渉したりする必要はない。また、政治的な理由に関係なく特定の国が契約を獲得すべきかどうかを決定する必要もなく、独自のメリットに基づいて技術を選択することもできる。

出典： 一般的な融合

このため、多くの人が、ゼネラル・フュージョンとその競合企業が、大規模な政府プロジェクトでは管理できないようなことを管理できると期待している。

2. ロッキードマーティンコーポレーション

非上場スタートアップがこの分野を独占している中で注目すべき例外は、上場企業である。 ロッキードマーティンコーポレーション防衛産業の巨人。

ロッキードは2010年代初頭から コンパクトフュージョン同社は2020年代までに完成すると予想していた核融合炉のプロジェクトを2021年に中止したと発表している。

同社は当初、このプロジェクトについて大々的に発表した後、非常に慎重な姿勢を貫いてきた。今日に至るまで、同社がこのアイデアを断念するに至った理由は不明である。

同時に、その概念を完全に放棄したわけではないようだ。 特に2024年には核融合エンジンを開発するスタートアップ企業ヘリシティに投資する予定だ。.

このアイデアは、宇宙船を短時間の核融合で推進するというものだ。ヘリシティは、ジェネラル・フュージョンが採用したのと同じアプローチであるプラズマ銃の使用を計画している。

潜在的には、ロッキード自身の内部調査結果によれば、同社の設計ではエネルギー生産と両立する形で核融合を維持できないことが示された。

しかし同時に、宇宙での推進力として必要なのは短いバーストで十分であり、実際の製品化にかなり近づいているのではないでしょうか。また、航空宇宙と防衛に重点を置く同社の全体的なプロフィールにもより適合するでしょう。

3. TAEテクノロジーズ

以前はTri Alpha Energyとして知られていたカリフォルニアに拠点を置くこの企業は、核融合エネルギー技術の開発に注力しています。TAE Technologiesは現在、核融合プラットフォームのNormanを、Copernicusと呼ばれる第6世代の機械にアップグレードしています。

出典： 4月

TAE 技術は、プラズマにエネルギーを注入し、「プラズマをより扱いやすくする増粘剤として機能」するために粒子加速器に依存しています。

同社はまた、コペルニクスの製造に3Dプリントを広範に使用しており、新しい部品の迅速な反復とより迅速な問題解決を可能にしている。例えば、同社は従来の製造方法で達成できる重量の半分で原子炉部品を印刷することに成功した。

出典： 4月

すべてが順調に進めば、同社は2030年代初めに送電網に接続できる最初のプロトタイプ発電所を建設する予定で、その後XNUMX年間は​​「堅牢で信頼性の高い」商用電力の開発に向けた拡張を続ける。同社のミヒル・ビンダーバウアーCEOによると、核融合は私たちを「豊かさのパラダイム」へと導くという。

過去 25 年間、同社は「マイルストーンごとの資金」モデルで運営されており、各ラウンドの資金調達は投資家に約束したマイルストーンの達成に基づいてのみ獲得されます。

2022年、Googleとシェブロンは、同社の250億XNUMX万ドルの資金調達の一環としてTAE Technologiesに投資した。実際、Google は XNUMX 年前から TAE と提携しており、同社に AI と計算能力を提供しています。

同社も提供しています ライフサイエンスサービス （ホウ素中性子捕捉療法 -BNCT）と バッテリーやeモビリティなどの電力ソリューション.

4. ヘリオン

Helion は、三重水素との核融合に焦点を当てる一般的なアプローチではなく、重水素とヘリウム 3 との核融合を実現することを目指しています。

通常、ヘリウム3を見つけるのは非常に困難です。しかし、ヘリオン社は自社の原子炉で重水素からヘリウムXNUMXを生成する方法を持っています。そうでなければ、おそらく月面での実証されていない採掘などの代替手段が必要だったでしょう。

核融合分野のほとんどの民間ベンチャー企業と同様に、ヘリオンはプラズマ注入技術を使用しています。

もう一つのユニークな特徴は、ファラデーの法則を利用して電流を誘導し、原子力発電所で一般的な蒸気加熱サイクルを直接スキップして、プラズマから直接電気を捕捉することを目指していることです。

この動きはかなり大胆ですが、熱から蒸気、そして電力への変換は通常非常に効率が低いため、将来の発電所の発電量を 2 ～ 3 倍に増やす可能性もあります。また、これは非常に設備投資を必要とする手順でもあります。

Helion 社の核融合発電所は、燃料費が無視できるほど低く、運用コストが低く、稼働時間が長く、資本コストが競争力があると予測されています。当社の機械は、核融合を非常に効率的に実行でき、大型の蒸気タービン、冷却塔、または従来の核融合アプローチに必要なその他の高価な要件を必要としないため、資本設備にかかるコストが大幅に低くなります。

ヘリオンは現在 30、その6^th 10,000 回以上のパルスと 100 億度の温度を達成した次世代原子炉です。

出典： ヘリオン

現在、 ポラリス同社の次期モデルはトレンタより最大100倍高速化することが期待されており、純増電力を生み出す初の核融合となる。

注目すべきは、ポラリスの長さが 19 メートルであり、他のより古典的な核融合炉の設計と比較すると、決して巨大な設備ではないということです。