材料科学
日常金属で未来を駆動する
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核融合エネルギーはここ数年ニュースになっており、科学界は未来的な炉について盛り上がっています。しかし舞台裏では、最も一般的な金属のいくつかが静かに核融合を実験室から電力網へと飛躍させています。タングステン、銅、リチウム――日常的に触れる元素が、無限のクリーンエネルギーを追求する上で欠かせない存在となっています。
タングステン・トカマク WEST、6分間の核融合記録を樹立
核融合エネルギーにとって大きなマイルストーンとして、フランスの WEST（タングステン（W）環境ステディステートトカマク）装置が新記録を樹立しました。WEST は 6 分間、摂氏 5,000 万度の核融合プラズマを維持し、1.15 ギガジュールのエネルギーを注入しました。この成果はプラズマ密度を2倍にし、WEST の過去の記録より 15% 多くのエネルギーを供給しました。
WEST はフランス代替エネルギー原子力委員会（CEA）によって運用されています。これは IAEA の長時間運転に関する国際課題調整（CICLOP）プログラムの一部です。米国エネルギー省の Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) は WEST と CICLOP と長期的なパートナーシップを築いています。
「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
核融合は太陽や星にエネルギーを供給します。水素のような軽元素が極めて高温に加熱されプラズマになると起こります。この状態でプラズマ粒子が衝突し融合し、大量のエネルギーが放出されます。
地球上では、トカマクと呼ばれる核融合装置が強力な磁場を用いてドーナツ形のチャンバー内にプラズマを閉じ込めます。目的は、投入エネルギーより多くのエネルギーを生成する自己持続的な核融合反応を実現し、事実上無限で安全、かつ炭素フリーのエネルギー源を提供することです。
しかし、正味エネルギーを取り出すだけの十分な時間これらの反応を維持することは依然として大きな課題です。プラズマは太陽の中心部よりも高温に加熱され、長時間安定させる必要があります。ほとんどのトカマクが燃料を過剰に保持してしまう炭素内壁を使用しているのに対し、代替材料が検討されています。
WEST のタングステン壁：炉に適した進歩
WEST はタングステンで裏打ちされており、将来の核融合炉の有力候補です。タングステンは炭素に比べてはるかに少ない燃料しか保持せず、効率的な炉の運転に必要です。しかし、プラズマ中にタングステンが痕跡として検出されても、放射によって急速に冷却される可能性があります。PPPL の Luis Delgado-Aparicio 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。”
困難にもかかわらず、タングステン壁での WEST の 6 分間記録は大きな前進です。これは、タングステン壁を持つ前身である炭素壁の Tore Supra の記録の2倍の長さです。炉に適した材料で長時間パルスを示すことは、CICLOP の目標と将来の発電所にとって重要です。
新しい X 線診断が画期的な成果を可能にする
記録的なショットは、PPPL が開発した革新的な X 線イメージングシステムを用いて診断されました。DECTRIS 製のマルチエネルギー軟 X 線（ME-SXR）カメラは、PPPL によって特別に改良され、プラズマ特性を前例のない詳細で測定できるようになっています。
“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
通常、核融合診断は 1〜2 種類の X 線エネルギーレベルを使用します。PPPL の ME-SXR は 11〜18 keV の 8 つのエネルギーレベルで同時に測定します。この範囲により、プラズマコアの明確なデータが得られ、無線周波数加熱波からの干渉が除外されます。
ME-SXR は異なるエネルギーでの強度を比較することでプラズマコアの電子温度を直接測定します。また、壁から移動するタングステン不純物の濃度も測定し、金属壁での長パルス運転を最適化するために重要なデータを提供します。WEST のコーディネーター Remi Dumont によれば、
“このシステムはエネルギー分別機能を持つ初のものです。素晴らしいです。これらの新しい測定により、プラズマ内部のタングステンを測定し、壁からコアへのタングステン輸送を理解する能力が得られます。”
記録的な結果が炉開発への扉を開く
PPPL チームは、Delgado-Aparicio と研究者 Tullio Barbui が率いて、WEST のプラズマが 6 分間のショット全体でコア部で安定した 4〜4.5 kV（約 5,000 万°C）に達したことを確認しました。不純物と温度のプロファイルはともに安定していました。
これらの発見は CEA の科学者による高度なシミュレーションでも裏付けられました。Litaudon によれば、
“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
プラズマが注目を集める一方で、核融合の未来はより具体的な構成要素にも依存しています。タングステン、銅、リチウムという3つの金属が不可欠であることが証明されています。
タングステンは 3422°C という元素中で最も高い融点を誇り、核融合プラズマの灼熱に耐えることができます。上海証券取引所に上場している中国の Xiamen Tungsten Co., Ltd. は、世界有数の生産者です。
2023 年、売上高が 18.30% 減少して 393.98 億元となったにもかかわらず、株主に帰属する純利益は 10.75% 増加し、16.02 億元に達しました。Xiamen Tungsten の生産能力拡大と効率向上は、核融合用途向け高純度タングステンの主要供給者としての地位を強化し、投資家にとって魅力的な見通しとなっています。
銅は優れた電気・熱伝導性により、核融合エレクトロニクスの要です。磁気コイル、バスバー、熱交換器はすべて、核融合の激しい電流と熱を管理するために銅に依存しています。
Freeport-McMoRan Inc. (FCX), (FCX ) は米国本社の最大手上場銅生産企業で、2023 年に売上高 246 億ドル、純利益 42 億ドルという堅調な財務状況を維持しました。同社の豊富な銅埋蔵量、持続可能性への取り組み、技術革新は、再生可能エネルギーや電気自動車からの銅需要増加に伴う成長見通しを後押ししています。
Lithium, the lightest metal, is becoming a fusion mainstay due to its remarkable electrochemical potential. Lithium blankets can breed tritium fuel, and lithium batteries can efficiently store fusion power. Albemarle Corporation (ALB) (ALB ), a major lithium producer, reported a record annual revenue of $9.62 billion in 2023, a 31% increase from the previous year.
ALB 価格チャート
EV 需要の低下やリチウム価格の下落といった課題にもかかわらず、Albemarle のエネルギー貯蔵部門はチリの拡張された La Negra 工場からの供給増により、35% のボリューム成長を達成しました。同社はコスト削減、財務柔軟性、成長投資に注力しており、急成長するリチウム市場で有利な位置にありますが、株価は過去1年で大幅に下落しています。
核融合が進展するにつれ、これらの金属への需要は急増すると予想されます。タングステン、銅、リチウムはプラズマの華やかさはないものの、核融合の明るい未来の基盤を形成しています。高純度材料を大規模に供給できる生産者は、核融合時代の到来とともに大きな追い風を受けるでしょう。
先駆的なパートナーシップが進歩を推進
この画期的な成果は、主要な核融合研究機関間の協力から生まれました。プラズマ診断の先駆者である PPPL は、DOE の若手研究者支援および診断開発助成金の資金で ME-SXR を開発しました。CEA の WEST トカマクは、長時間ショットを探求するための唯一のタングステン壁装置であり、理想的な実験プラットフォームを提供しています。
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
タングステン壁を備えた WEST の 6 分間記録は、核融合エネルギーにとって重要な進展を示しています。これは、炉に適した材料を使用したトカマクが実用的な核融合電力に必要な温度でプラズマを持続的に閉じ込められることを実証しています。PPPL の ME-SXR のような新しい診断装置は、研究者が前例のない精度でプラズマを測定・最適化できるようにします。
実用的な核融合炉を開発するには、まだ多くの課題が残っています。パルス時間は数分から数か月へと延長し、密度を高めつつ安定性を保つ必要があります。高度な材料、磁石、熱除去システムが不可欠です。しかし、科学者たちは核融合の膨大な可能性を一歩ずつ現実に変えつつあります。
核融合は安全で炭素フリー、事実上無尽蔵のエネルギー源を提供する可能性があります。これにより、気候変動の緩和、エネルギー安全保障の向上、そして人類の次なる時代の支援に役立つでしょう。全体として、WEST と CICLOP が示すように、世界的な協力が核融合の課題を克服し、その膨大な恩恵を世界にもたらす鍵となります。
