材料科学
日常金属で未来を駆動する
Securities.io を Google の優先ソースに追加
核融合の研究では、プラズマや磁石だけでなく、タングステン、銅、リチウムなどの材料も重要です。耐熱性、電気・熱の伝導、燃料の生成といった課題に関わります。ただし、実験装置から送電網に電力を供給する商用発電所への移行は、なお研究開発の目標です。
タングステン壁のWEST、約6分間のプラズマ維持を達成
2024年、フランスのトカマクWESTは約5,000万°Cのプラズマを約6分間維持し、1.15ギガジュールのエネルギーを投入しました。研究者が比較した以前の実績に対し、投入エネルギーは15%増え、密度は2倍になりました。これはプラズマに加えたエネルギーであり、正味の発電量ではありません。
WEST はフランス原子力・代替エネルギー庁（CEA）が運転しています。国際原子力機関（IAEA）の長時間運転に関する国際課題調整プログラムCICLOPにも参加しています。米国エネルギー省傘下の プリンストン・プラズマ物理学研究所（PPPL）はWESTと長年協力しています。
「新しいエネルギー源を提供する必要があり、そのエネルギーは継続的で永続的であるべきです。これらは素晴らしい結果です。タングステン壁という挑戦的な環境にもかかわらず、定常状態に到達しました。」
– CEA 科学者で CICLOP 議長の Xavier Litaudon
核融合の基礎
核融合は太陽や恒星のエネルギー源です。軽い原子核が結合してより重い原子核となり、適切な反応ではエネルギーが放出されます。地上の実験装置では燃料を高温のプラズマにして閉じ込めます。
トカマクは磁場を使い、ドーナツ形の容器内にプラズマを閉じ込めます。長期的な目標は利用可能なエネルギーを取り出し、発電所全体の消費電力を上回る電力を供給することです。プラズマだけのエネルギー利得と、設備全体の正味の発電量は異なります。
十分な温度、密度、閉じ込め時間と安定性を同時に確保することが課題です。プラズマは太陽中心より高温にする必要があります。従来使われてきた炭素系の壁材は燃料を取り込みやすいため、将来の炉に向けて別の材料も研究されています。
WEST のタングステン壁：炉に適した進歩
WESTは、プラズマに接する部材にタングステンを使用しています。タングステンは炭素より燃料を取り込みにくい一方、微量でもプラズマに混入すると、その放射によってプラズマが急速に冷える可能性があります。冷えるのは検出されたタングステンそのものという意味ではありません。PPPLのルイス・デルガド＝アパリシオは次のように説明しています。
“タングステン壁の環境は炭素を使用するよりはるかに挑戦的です。これは単に、家で子猫をつかもうとすることと、最も野生のライオンに触れようとすることの違いです。”
タングステン壁で約6分間プラズマを維持したことは重要な進展です。ただし、前身のTore Supraの記録の2倍ではありません。炭素系の壁材を使ったTore Supraは、むしろ少し長いパルスを達成していました。今回の意義は、将来の炉に関連するタングステン環境で長時間運転した点にあります。
新しい X 線診断が画期的な成果を可能にする
このパルスは、DECTRIS製の検出器をPPPLが改良した多エネルギー軟X線（ME-SXR）診断装置で測定されました。X線の強度を用いてプラズマの性質を推定します。
“PPPL の先端プロジェクト部門の X 線チームは、世界中のトカマクやステラレータ向けにこれらすべての革新的なツールを開発しています。”
– Delgado-Aparicio、PPPL 先端プロジェクト部門長
ME-SXRは11～18 keVの範囲で8種類のX線強度を比較します。この帯域はプラズマ中心部の放射の観測に適しており、他の診断法に影響する高周波加熱による干渉にも強いという利点があります。
強度の比較から電子温度や不純物に関する情報を得ます。壁から混入したタングステンの量や輸送を理解することは、長時間運転の改善に重要です。実験の科学調整役であるレミ・デュモンは、装置の価値を次のように説明しました。
デュモンは、エネルギー弁別によって温度や不純物に関する詳しい情報が得られる点を評価しました。リトードンも、新たな測定が壁からプラズマ中心部へのタングステンの移動を理解するのに役立つと説明しています。
記録的な結果が炉開発への扉を開く
デルガド＝アパリシオとトゥリオ・バルブイらの測定では、約6分間のパルス中、中心部の電子温度は約4～4.5 keVで安定していました。これは約5,000万°Cに相当する熱エネルギーの尺度であり、4～4.5 kVの電圧という意味ではありません。
CEAのシミュレーションは測定結果とよく一致しました。リトードンは次のように述べています。
“このエネルギー分解カメラは分析の新たな道を切り開きます。これらの診断装置のおかげで、問題を理解し、測定とシミュレーションの両方における物理の根本にたどり着くことができます。”
PPPL と WEST は、温度とタングステン不純物の制御をさらに向上させ、より長く、より安定した運転を可能にすることを目指しています。さらに、PPPL は ME-SXR 技術を世界中のトカマクと共有し、炉に適した研究を加速させています。
“ME-SXR は PPPL から CEA/WEST への診断装置のより大規模な貢献の一部に過ぎません。この協力は私たちに大いに役立っています。この診断装置の組み合わせにより、プラズマ内で非常に正確な測定を行い、リアルタイムで制御できるようになります。”
– Dumont
日常金属が核融合を駆動：タングステン、銅、リチウム
将来の核融合設備は、プラズマだけでなく構造材や冷却系、燃料供給系にも依存します。タングステン、銅、リチウムは、それぞれ異なる役割で研究されています。
タングステンの融点は約3422°Cで、金属の中で最も高い値です。大きな熱流束に耐える材料として有望ですが、壁そのものが数千万°Cに耐えるわけではなく、冷却が必要です。上海証券取引所に上場する中国の Xiamen Tungsten Co., Ltd. は、世界有数の生産者です。
Xiamen Tungstenは2023年に売上高393.98億元、株主に帰属する純利益16.02億元を報告しました。同社の材料事業にはさまざまな産業用途がありますが、この実績から核融合が既に主要な収益源であるとはいえません。
銅や銅合金は電気・熱伝導性に優れ、抵抗磁石のコイル、母線、冷却関連部材などで利用できます。必要な部材や材料は炉の方式によって異なります。
Freeport-McMoRan Inc. (FCX), (FCX )は米国に本社を置く大手銅生産企業です。2023年の連結売上高は228億5,500万ドル、普通株式に帰属する純利益は18億4,800万ドルでした。銅需要は送電網、再生可能エネルギー、電気自動車など多くの分野に左右され、将来の核融合だけで決まるものではありません。
リチウムを含む増殖ブランケットでは、リチウムと中性子の核反応によって燃料となるトリチウムを生成できます。この役割は、電池における電気化学的性質とは別です。リチウム電池は将来の核融合発電所が供給する電力の貯蔵にも使える可能性がありますが、核融合反応そのものに必須という意味ではありません。主要なリチウム生産企業であるAlbemarle Corporation (ALB) (ALB )は、2023年の年間売上高が前年比31％増の96億2,000万ドルとなり、過去最高を記録したと報告しました。
ALB 価格チャート
AlbemarleのEnergy Storage部門では、2023年の販売数量が35%増加しました。主因はチリのLa Negra III/IV拡張と、増加した需要に対応する委託加工数量です。一方、リチウム価格や需要の変動は事業リスクであり、販売数量の伸びが株価上昇を保証するわけではありません。
核融合が商用化され普及すれば、これらの材料に追加需要が生じる可能性があります。ただし、量と時期、各生産企業への影響は採用される設計や建設速度に左右されます。研究の進展だけから利益や株価の急増を予想することはできません。
先駆的なパートナーシップが進歩を推進
この成果はPPPL、CEA、DECTRISの協力によるものです。PPPLは米国エネルギー省の支援で診断法を開発し、WESTはタングステン環境での長時間運転の実験機会を提供しました。タングステンを使用する装置として世界で唯一という意味ではありません。
X 線検出器の世界的リーダーである DECTRIS は、PPPL が新しい ME-SXR に適応させたコア技術を提供しました。DECTRIS の営業部長 Nicolas Pilet によれば、
“プラズマ核融合コミュニティは、ハイブリッドフォトンカウント技術を用いてプラズマダイナミクスを監視する最初の団体の一つでした。我々は自社製品でこの開発に貢献できたことを非常に誇りに思い、素晴らしい協力に感激しています。”
WEST の記録は、長時間パルス課題に関する世界的な取り組みを調整する IAEA のプログラム CICLOP にとっても大きな成功です。専門知識とリソースを結集することで、CICLOP は連続核融合運転を妨げる重要課題を体系的に解決することを目指しています。Litaudon は次のように述べました。
“このマイルストーンは CICLOP プログラムの目標に向けた重要な一歩です。WEST における PPPL の取り組みはその好例です。”
クリーン核融合エネルギーへの道
WESTの成果は、将来の炉に関連する材料を用いた長時間プラズマ運転の研究を進めるものです。発電所全体で正味の電力を生み出した実証ではありません。ME-SXRのような診断法は、温度や不純物を調べ、制御を改善するのに役立ちます。
実用化には温度、密度、閉じ込め時間、安定性に加え、材料の耐久性、燃料管理、熱の取り出し、設備全体のエネルギー収支を改善する必要があります。数か月の運転は考えられる工学上の目標の一つですが、あらゆる核融合方式に一律に求められる条件ではありません。
核融合は低炭素電力の供給に役立つ可能性があります。ただし、コスト、信頼性、トリチウムの確保、中性子による材料損傷や放射化などの課題が残っています。実用化すれば気候変動の緩和やエネルギー安全保障に貢献する可能性があり、国際協力はその研究開発を支える重要な要素です。
