球形融合容器とマヨネーズ – 私たちの未来のエネルギー需要を再考する

核融合エネルギーは私たちの宇宙システムと同じくらい古いです。太陽や星々にエネルギーを供給しています。しかし、地球上での応用はまだ実験段階です。

7月中旬の報告書によると、今年この分野への投資は9億ドル以上増加し、約71億ドルになりました。しかし、専門家は投資の成長はまだ十分ではないと考えています。これは、昨年の14億ドル、2022年の28億ドルの増加よりも低い数字です。

Fusion Industry Associationの責任者であるAndrew Hollandによると：

「過去12か月で見られた成長は前向きですが、核融合の野心的な目標を達成するには十分ではありません。」

他のどの分野と同様に、成長はイノベーションによってのみ実現できます。本日は、オーミック加熱ソレノイドの必要性を排除することを目的とした、効率的かつ重要なイノベーションを探ります。これは、経済的でコンパクトな核融合トカマックリアクターシステムを実現する上で最も影響力のある設計要因になる可能性があります。

しかし、研究とその影響を深く掘り下げる前に、核融合エネルギー科学がどのように機能し、トカマックシステムがどのような役割を果たすかについて簡単に概観する必要があります。

核融合エネルギーとトカマックシステムの科学

これは、制御された核融合に基づくエネルギー源の開発を目指す学際的な科学分野です。核融合の基本原理は、二つの原子核を結合させて新たな原子核を形成することです。

実用的なレベルでは、地球上での核融合は、持続的なプラズマを生成する条件を作り出すことを伴います。プラズマは、電子が原子核から離れたほど高温のガスです。研究者は、イオンと電子が電荷を持つため、電場と磁場を用いてそれらの集合体を制御します。この仕組みが「制御核融合」という名称の由来です。

トカマックシステムは、トーラスと呼ばれるドーナツ形状の磁場を用いてプラズマを閉じ込めます。長年にわたり、トカマックは将来の核融合発電所における主要なプラズマ閉じ込め概念として浮上してきました。次のセクションで議論する研究は、トカマックの空間最適化に関するものです。

コンパクトで球形の核融合容器：より小型のトカマックがより経済的な核融合オプション

米国エネルギー省（DOE）、プリンストンプラズマ物理学研究所（PPPL）、民間企業Tokamak Energy、そして日本の九州大学の科学者を含む、拡大した研究チームがこの研究の先頭に立っています。彼らの提案は、アイデアとしてはシンプルです：マイクロ波だけでプラズマを加熱するコンパクトで球形の核融合パイロットプラントです。

 マイクロ波の使用により、容器の中心近くに配置されたソレノイドと呼ばれる大規模な銅線コイルが不要になり、プラズマを加熱できます。 

この従来のオーミック加熱アプローチを除去する有用性を詳述する中で、PPPLの主任研究物理学者であり論文の第一著者である小野真之（Mayasuki Ono）は次のように述べました：

「コンパクトで球形のトカマックプラズマは、比較的小さな芯を持つリンゴのように見えるため、オーミック加熱コイルのスペースがありません。オーミック加熱コイルを組み込む必要がなければ、より簡単で安価に構築できる装置を設計できるでしょう。」

目的を達成するために、実験はECCD（電子サイクロトロン電流駆動）と呼ばれる技術を利用しています。これはプラズマに電流を流しながら加熱することができます。研究者はさらに、TORAYというコンピュータコードを開発し、これをTRANSPという別のコードと組み合わせて、ビームの照射角度をスキャンし、最高効率を確認し、必要な電流を駆動するための電力要件を最小化します。

研究者はさらに、加熱プロセスの各段階で最適に機能するECCDのモードを特定しました。考えられる選択肢は二つのモードです：

• Oモード（普通モード）
• Xモード（異常モード）

これら両方のモードは有用で、システム全体の機能に寄与します。Xモードはプラズマの温度と電流を上昇させる必要があるときに最適です。Oモードは、上昇後にプラズマの温度と電流を維持するために最適な選択肢です。

代替加熱オプションを要約すると、小野は次のように述べました：

「Oモードは高温・高密度プラズマに適しています。しかし、低温になるとOモードの効率が非常に低下することが分かりましたので、低温領域をカバーする別の手段が必要です。」

研究者はまた、プラズマを不純物から守る重要性を強調しました。強力な磁場はプラズマをトカマック内部の特定の形状に主に閉じ込めますが、時にはプラズマがトカマックの内部壁に近づき、壁から原子がはがれ出てプラズマに入り込むことがあります。

研究提案はまだ実験段階ですが、すでにこのソリューションを推進し、規模拡大し、核融合エネルギーの応用をより最適化しエネルギー効率を高める商業企業の関与が見られます。次のセグメントでは、すでにこのプロセスに関与している企業であるTokamakについて議論します。

#1. Tokamak Energy Inc.

Tokamakは必要な技術の開発の最前線に立っています2030年代に核融合エネルギーを成功裏に提供するために。そのビジョンは、核融合エネルギーをクリーンで安全、手頃で、すぐに利用できるものにすることです。

これまでに、同社は77件の特許出願を取得し、総額2億5,000万米ドルを調達しました。この2億5,000万米ドルのうち、2億米ドルは民間投資家から、残りは英国と米国政府からのものです。

運営期間中、同社は多くの実績を積み重ねてきました。例えば、2022年に同社はトカマックで1億度セルシウスのプラズマイオン温度を達成した初の民間核融合企業となり、商業規模での核融合の閾値を突破しました。

同年、同社はまた、民間核融合企業の中で最高のプラズマ「トリプルプロダクト」を取得し、これはプラズマ温度と閉じ込め時間の重要な指標です。

我々はすでに球形トカマックについて議論しましたが、これは核融合エネルギーへの最も研究が進んでおり広く評価されている道の一つです。その利点は運用効率、プラズマの安定性、コスト効果です。

TokamakのST40高磁場コンパクト球形トカマックは、この分野で最も先進的なものの一つです。これにより、Tokamakはプラズマイオン温度1億度セルシウスを達成し、これは太陽の中心の6倍の熱さです。

Tokamakはまた、専用のテスト施設でDemo4磁石システムを構築しています。このシステムは44本の個別HTSコイルから構成され、14本のトロイダル磁場リムと2本のポロイダル磁場コイルがケージ状構造に組み込まれています。真空中で20ケルビン（-250°C）で動作し、磁場強度は地球の磁場のほぼ100万倍です。

#2. Helion

この分野で画期的な取り組みを行っているもう一つの企業はHelionです。同社は世界初の核融合発電所を建設したと主張しています。Helionの核融合ジェネレーターは、核融合燃料を1億度セルシウス以上に加熱することが可能です。また、高効率のパルス方式で電力を抽出することもできます。

技術的には、Helionのソリューションは磁気慣性核融合技術を活用しています。Helionの技術は、この分野の他のアプローチと異なる三つの顕著な特徴を持っています。 必要に応じて出力を調整できるよう、同社はパルス式の非点火核融合システムを利用しています。

電気自動車の回生ブレーキシステムが機能する方式と同様に、Helionシステムは電力を直接回収できます。これにより、他の利用可能な核融合システムが水を加熱して蒸気を作りタービンを回す際に多くのエネルギーを失うのに対し、Helionシステムははるかにエネルギー効率が高くなります。

Helionは燃料として重水素とヘリウム-3（D-³He）を使用します。これら二つの融合により帯電粒子が生成され、電気として直接回収できるため、システムは小型で効率的、迅速、コスト効果的です。重水素とヘリウム-3（D-³He）を燃料に使用することで、中性子放出が減少し、重水素-トリチウム燃料使用時に生じるエンジニアリング上の課題が大幅に軽減されます。

重要なのは、同社は自社の核融合電力が最も低コストの電力源の一つになると考えており、理想的には1kWhあたり0.01米ドルで電力を生成できるとしています。

最新の情報によると、2008年に設立された同社は2021年末までに5億米ドルを調達し、評価額は12.5億米ドルに達する可能性があります。この最新の資金調達はOpenAIのCEOであるサム・アルトマンが主導し、彼自身が3億7500万米ドルを投資しました。これはHelionが核融合技術でエネルギー生産を革命的に変える可能性に対する強い信念を示しています。総資金は現在5億7700万米ドルで、これらはHelionの第七プロトタイプであるPolarisの完成と、2024年までに核融合エネルギーの商業化に近づくために使用されます。 

TokamakやHelionのような企業による先進的な技術開発は、核融合エネルギー分野の大きな進展を促しています。私たちが議論の出発点として引用した具体的な研究は、官民パートナーシップの成果です。これは、研究機関と商業企業の間で知識と能力が継続的かつ体系的に移転されていることを示しています。

核融合容器の未来：資源最適化に向けた革新的思考

核融合で成功を収めるには、その科学をさらに深く掘り下げる必要があります。科学者たちはかつてないほど好奇心旺盛です。

マヨネーズが研究者の複雑な核融合エネルギー課題解決を支援

Lehigh大学の研究チームは、レイリー・テイラー不安定性の段階に関する継続的な研究で、マヨネーズを重要な成分として使用しています。この研究は、クリーンエネルギーのための将来の慣性閉じ込め核融合プロセスの設計に情報を提供する可能性があります。

Lehigh大学の機械工学・力学のPaul B. Reinhold教授であり、P.C. Rossin工学応用科学部門のMEM部門長であるArindam Banerjeeによると：

「チームは依然として同じ課題、すなわち慣性閉じ込め核融合で使用される融合カプセルの構造的完全性に取り組んでおり、HellmannのReal Mayonnaiseが解決策の探索に今も役立っています。」

マヨネーズは、圧力勾配が加わると流れ始める固体としてチームを支援します。レイリー・テイラー問題は、物理学でよく知られた課題で、密度と圧力勾配が逆方向にある異なる密度の材料間で起こる現象であり、不安定な層化を生じさせます。マヨネーズを使用することで、極めて制御が難しい高温・高圧条件を必要とせずに、可能な解決策を試すことができます。

極端な温度なしの低温核融合

最近の低温核融合における画期的な突破口は、極めて高温とプラズマを必要とせずに、従来核融合に結びつく極めて高温とプラズマを必要とせずにクリーンエネルギーを実現する希望を再燃させました。

長らく周辺科学と見なされてきたこの開発は、材料科学、希少金属、特定の化学プロセスを用いて低温で核融合を実現することを含みます。

科学界は以前、初期実験結果を再現できなかったことから低温核融合を否定していましたが、しかし、Natureに掲載された新しい査読付き研究は、音響キャビテーション下で重水素化チタン粉末を用いた実験中に中性子放出を観測することで、前進可能な経路を示唆しています。この発見は、低温核融合を実用的な代替エネルギー源としてさらなる研究への道を開き、クリーンでほぼ無限の電力を提供する可能性を示しています。

この研究結果は、核融合には星の内部に見られるような数百万度の温度や強力な磁場といった極端な条件が必要であるという長年の信念に挑戦しています。代わりに、この新しいアプローチは異なるメカニズムで核融合を達成する可能性を探求し、エネルギー生成のためのよりアクセスしやすく、資源集約度の低い方法を提供することでエネルギー情勢を革命的に変える可能性があります。

成功すれば、低温核融合は従来の核融合方式が必要とする巨大なインフラとエネルギー投入を回避でき、持続可能でクリーンなエネルギーソリューションの追求において画期的な変化をもたらすでしょう。

AI：核融合反応の安定化における画期的技術

高度化と能力の向上に伴い、AIは核融合分野を革命的に変えており、歴史的に核融合反応の持続性を妨げてきたプラズマ不安定性を予測し防止しています。

プリンストン大学と米国エネルギー省のプリンストンプラズマ物理学研究所の研究者は、プラズマの乱れ（例：裂けモード不安定性）を最大300ミリ秒前に予測できるAIモデルを開発しました。これにより、AIはリアルタイムでリアクターのパラメータを調整し、プラズマの安定性を維持し、反応が早期に終了するのを防ぎます。

AIの予測能力は過去の実験データでの学習に基づいており、従来の物理ベースモデルでは不可能な方法で潜在的な不安定性に動的に対応できます。

プラズマは本質的に不安定で複雑であるため、その安定性を維持することは核融合を持続させる上で大きな課題でした。従来の方法は、プラズマが乱れ始めた後に不安定性を緩和することに焦点を当てており、しばしば反応を救うには遅すぎました。

AIの予測と事前対策能力を活用することで、核融合プロセスはより安定し実用的かつ持続可能な核融合エネルギーの実現に近づきます。この進歩は、核融合を無限のエネルギー源としての見通しを高めるだけでなく、核融合研究における最も困難な課題を克服する上でAIが果たす重要な役割を強調しています。

未来は何をもたらすのか？

将来的には、企業がエネルギーとコストの観点で空間と資源の使用を最適化した核融合電力ソリューションを考案するでしょう。ローレンス・リバモア国立研究所のプログラムリーダーであるオマール・ハリケーンによれば、ナショナル・イグニッション・ファシリティが所在する場所で、次のように述べています:

「核融合は、10年前に比べて将来のエネルギー源としてはるかに実現可能に見えます。」

2023年、科学者たち画期的な成果を上げました。それは、消費したエネルギーよりも多くのエネルギーを生成できる核反応を作り出したときです。報告によると、実験では192本のレーザーを使用し、2.05メガジュールのエネルギーを、凍結された重水素とトリチウムのペレットを含むエンドウ豆サイズの金シリンダーに照射しました。

エネルギーは非常に強力でカプセルを崩壊させました。達成された温度は星や熱核兵器に匹敵するものです。より具体的に言えば、実験室の示すところによると、3.15メガジュールのエネルギーが放出され、反応に投入されたエネルギーより約54％多く、以前の記録である1.3メガジュールの約2倍以上でした。

多くの研究者は、この実験結果が将来に大きな可能性を持つと考えました。ニューヨーク州ロチェスター大学の核融合ラボの元ディレクターであり、ローレンス・リバモア研究所でNIFの初期支持者であったマイケル・キャンベルによれば、この突破口はレーザー核融合電力の約束に対する信頼を高め、最終的にはエネルギー応用に焦点を当てた新プログラムへの扉を開く可能性があります。ローレンス・リバモア研究所のディレクターであるキム・バンディルは、これを「慣性閉じ込め核融合電力計画の根本的な構成要素」と考えました。

この試験とその成功は、プロセスをより堅牢にするために多くの将来の開発が必要であることも示しました。例えば、試験が実用的なプロセスになるためには、レーザーパルス生成に投入されるエネルギーに対して放出されるエネルギーが少なくとも二桁（100倍）増加する必要があります。

将来的には、レーザーがパルスを生成する速度と、次の燃焼のためにターゲットチャンバーを迅速にクリアできる速度が劇的に向上する必要があります。

これらの取り組みは今後も続くでしょうが、本日の議論を締めくくるにあたり、この分野のもう一つの重要なプロジェクトである220億米ドル規模のITERプロジェクト（中国、欧州連合、インド、日本、韓国、ロシア、米国の協力）に言及します。このプロジェクトは、核融合から得られるエネルギーがさらに核融合を生み出す自己持続的核融合の実現を目指しています。

現在の実験が最終段階に達するにつれ、核融合エネルギーは徐々にコスト効果が高く、最適化され、より大規模な普及に向けて準備が整うでしょう。