中国の先端超伝導トカマク実験炉、新たな「スーパーIモード」の発見で核融合のマイルストーンを達成した。
Jonathan Tennenbaum
Asia Times
May 11, 2023
今回は、3回シリーズの第1回目である。
先進超伝導トカマク実験炉（EAST）の成功により、中国は磁場閉じ込め核融合に関する国際研究の最前線に躍り出た。
合肥にあるEASTは、強力な磁場を利用して高温のプラズマをトロイダル型真空容器内に閉じ込め、重水素・三重水素の核融合に必要な温度で日常的に運転することができる。
言うまでもなく、1億℃のプラズマを長時間「瓶の中」に閉じ込めておくのは至難の業である。核融合研究では、70年前にソビエト連邦で発明された「トカマク」と呼ばれる設計が最も有力な方法である。
比較的最近まで、トカマクを使った個々の実験は、通常、ほんの数秒、あるいはせいぜい数秒しか続かなかった。核融合科学者はこれを「ショット」と呼んでいる。トカマク装置で大量の核融合エネルギーを実現するためには、閉じ込め時間を長くすることが重要だ。ここでEASTは世界をリードする。
2023年4月12日、EASTは初めて1億℃のプラズマを6分以上維持することに成功した。「H」は「high confinement」の略で、「Hモード」と呼ばれる動的な状態である。この特定のプラズマ状態は、トカマク装置でプラズマを安定的に閉じ込めるのに特に有利とされてきた。
現在フランスで建設中の巨大な国際トロイダル実験炉（ITER）は、「Hモード」で運転することが計画されている。ITERは、トカマク設計に基づく核融合発電所のプロトタイプに至る最後のステップであると主張している。
これに先立つ2021年12月30日、EASTは同範囲の温度で17分以上プラズマを維持し、閉じ込め時間に関するこれまでの記録をすべて塗り替えた。
これは、中国の科学者が「スーパーIモード」と呼ぶ、これまで知られていなかったプラズマの状態を発見したことが一因である。トカマク装置による核融合の実現には、HモードよりもSuper-Iモード、あるいは将来的に発見されるかもしれない他のモードの方が優れている可能性がある。
2006年の運転開始以来、EASTは長パルス運転に関連する技術的・物理的な重要課題に取り組む中で、次々と輝かしいマイルストーンを達成してきた。
EASTは大量の核融合反応を発生させることを目的としていないが、国際的な核融合の取り組みや、現在設計段階にある中国独自の大型核融合炉「中国核融合工程試験炉（CFETR）」の建設プロジェクトに重要な貢献をしている。
EASTの成果を詳しく説明する前に、連続運転する原子炉で核融合発電を実現するための壮大な闘いの中で、この成果を位置づけることが重要である。
核融合発電にはさまざまなアプローチがあるが、レーザー核融合のようにパルス的に運転する方式と、核融合反応を連続的に維持する方式に分けることができる。
この記事では、一見するとベースロードの商用電源として適しているように見える、この2番目のタイプにのみ焦点を当てることにする。しかし、核融合反応によるエネルギーの連続生産の実現には、大きな課題がある。
特に、高温の核融合プラズマを安定した力学的状態に保ち、原子炉容器の壁に接触させないようにしなければならない。プラズマの密度によっては、壁材を瞬時に蒸発させ、核融合反応を停止させる可能性がある。
ここで注意しなければならないのは、核融合プラズマは電子と原子核が自由に動き回る、瓶の中の気体よりもはるかに複雑な物理系であるということだ。
高温プラズマには、多種多様な波動、振動、複雑な粒子の流れが存在する。また、外界と反応して強力な内部電流、電界、磁界を発生させ、広いスペクトルの電磁波を放射し、共鳴効果も多く見られる。また、自己組織化能力も高く、制御が難しい面もある。
物理学者にとってパラダイスか、悪夢か！
今回のテーマで重要なのは、高温プラズマが、場や粒子の運動パターンが比較的一定である準安定な「モード」を持つという事実である。しかし、その一方で、あらゆる機器に深刻なダメージを与えるような、乱暴な振る舞いをすることもある。
核の温度が1000万度ともいわれるプラズマからなる太陽は、重力によって支えられている。太陽や星々は、「重力に閉じ込められた核融合炉」と呼ぶことができるだろう。
地球上でプラズマを持続的に閉じ込めるには、強力な磁場を使って真空容器内にプラズマを吊り下げる「磁気閉じ込め」が最適で、おそらく唯一の実用的な方法である。簡単に言うと、プラズマを構成する荷電粒子が磁力線に巻き込まれるのです。
プラズマの持続的な磁気閉じ込めを実現する代表的な設計が、1950年にソ連の物理学者アンドレイ・サハロフとイーゴリ・タムによって発明されたトカマクである。
トカマクは、トロイダル型の真空容器の周囲に磁気コイルを配置し、その内部で渦巻き状の磁力線を発生させることで容易に見分けることができる。
1958年にソビエト連邦で最初の実験用トカマクが稼働して以来、世界各地で185基のトカマクが建設され、さまざまなサイズやバリエーションがある。核融合エネルギーの追求はもちろんのこと、宇宙の物質の99％がプラズマ状態であることから、プラズマ物理学、ひいては宇宙物理学の発展にも大きな役割を果たした。
しかし、トカマクで高温のプラズマを長時間安定に維持することは、予想以上に難しい。70年にわたる苦闘が続いた。このように、高温プラズマの自己組織化という性質は、恵みであると同時に呪いでもある。
良い面では、中国のEASTトカマクの「Hモード」や新たに発見された「スーパーIモード」に代表されるように、自己組織化は長時間の閉じ込め体制の形成に不可欠な役割を果たすと考えられる。
一方、自己組織化プロセスは、無数の不安定性の根源でもある。天文学的なスケールでは、太陽のフレアやコロナ質量放出がその代表例である。
プラズマはエネルギーを集中させる性質があるため、プラズマの不安定性は機器に大きなダメージを与えることがある。有名な例では、トカマク・ド・フォントネ・オ・ローズで、いわゆる「暴走電子」が真空容器に穴を開けるというプラズマ破壊が発生したことがある。
このように、トカマク装置の性能は、新たなプラズマ不安定性の発生や不測の事態を繰り返しながら徐々に向上し、現在ではトカマクで核融合反応による純熱出力を実現するところまで来ている。
フランスのカダラッシュで建設中のITERは、2035年頃までにこの目標を達成すると予測されている。つまり、加熱装置によってプラズマに注入されるエネルギーの少なくとも10倍のエネルギーが核融合反応によって放出されることになる。
ITER自体は電気を作るためのものではなく、最初の試作発電所である「DEMO」に向かうための最後の足がかりを提供するに過ぎない。
この文脈で強調したいのは、Q > 10を実現するだけでは、実現可能な電気発電所を実現するのに十分でない可能性があるということだ。コストとは別に、プラズマレベルの出力／入力比だけでなく、回収不可能な大きな熱損失などを考慮した上で、プラント内のすべてのシステムで消費される電力を考慮しなければならない。
中国のEASTなどの実験結果や運を味方につけて、ITERがはるかに高いQ値を達成し、ITERの基本設計に基づく発電所の実現可能性を高める可能性は大いにある。
一方で、予期せぬ困難がITERの目標達成を阻む可能性も否定できない。
