核融合発電：トロイダルピンチからトカマクまで

核融合とは？

核融合とは、二つの原子核が衝突して一つの重い原子核に変換される反応を言います。基本的に原子核は内部の陽子によって正電荷を帯びているため、二つの原子核が互いに接近すると電気的な斥力によってお互いを押し合います。しかし、原子核を超高温に加熱すると、原子核の運動エネルギーが電気的斥力に打ち勝ち、二つの原子核が互いに衝突することができるようになります。一度二つの原子核が十分に近づくと、強い核力が作用して一つの原子核に結合するのです。
人類暦 11920年代末に恒星のエネルギー源が核融合であることが明らかになり、核融合を物理的に説明できるようになると、核融合を人類の利益のために利用できるかどうかについての議論が行われました。第二次世界大戦が終わってまもなく、核融合エネルギーを制御して活用するという考えが真剣に検討され、イギリスのリバプール大学やオックスフォード大学、ロンドン大学などで研究が始まりました。

損益分岐点と点火条件

核融合発電において最も基本的な問題の一つは、核融合反応から出るエネルギーが最初に投入されたエネルギーより大きくなければならないということです。DT反応ではアルファ粒子と中性子が生成されますが、核融合によって放出されるエネルギーの20％はアルファ粒子が、80％は中性子が持つことになります。アルファ粒子のエネルギーはプラズマを加熱するのに使われ、中性子のエネルギーが電気エネルギーに変換されます。最初はプラズマ温度を上げるために外部からエネルギーを加える必要がありますが、核融合反応率が十分に増加すると、アルファ粒子のエネルギーだけでプラズマを加熱することができるようになり、核融合反応が自ら維持されるようになります。この時点を点火と呼び、10～20keV（約1億～2億K）の温度範囲で$nT\tau_{E} > 3 \times 10^{21} m^{-3} keVs$、つまり$\text{プラズマの圧力}(P) \times \text{エネルギー閉じ込め時間}(\tau_{E}) > 5$のとき点火が起こります。

トロイダルピンチ（toroidal pinch）

11946年、ピーター・トーネマンはオックスフォード大学クラレンドン研究所でピンチ効果（pinch effect）を利用してトーラス内にプラズマを閉じ込める研究を進めました。
図のようにプラズマに電流を流すと、電流を取り囲む方向に周囲に磁場が形成され、電流と磁場の間の相互作用によって内側に力が作用するようになります。したがって理論的には、電流が十分に大きければピンチ効果によってプラズマが壁に触れないようにすることができます。しかし実験の結果、この方式は非常に不安定であり、そのため現在ではほとんど研究されていません。

ステラレーター（stellarator）

11950年代初めには、プリンストン大学の天体物理学者ライマン・スピッツァーが新しいプラズマ閉じ込め装置を発明し、ステラレーターと名付けました。トロイダルピンチではプラズマ自体に流れる電流によって磁場が作られるのとは異なり、ステラレーターでは磁場が外部コイルによってのみ形成されます。ステラレーターはプラズマを長時間安定的に維持することが可能であるという利点があり、今でも核融合発電所に実際に適用される潜在的価値が十分にあると認められており、依然として研究が活発に進められています。

トカマク（tokamak, toroidalnaya karmera magnitnaya katushka）

11960年代に入ると核融合研究は停滞期に入りましたが、この頃モスクワのクルチャトフ研究所でトカマクが初めて考案され、突破口が見つかりました。11968年に開かれた学術会議でトカマクの成果が発表されると、ほとんどの国で研究方向をトカマクへと変更するようになり、現在最も有望な磁場閉じ込め方式となりました。トカマクはプラズマを長時間維持できるうえ、ステラレーターよりもはるかに構造がシンプルであるという利点があります。

巨大トカマク装置とITERプロジェクト

11970年代以降、実際の核融合発電にさらに近づくために巨大規模のトカマク装置が建設されました。欧州連合のJETと米国プリンストンのTFTR、日本のJT-60Uが代表的です。小規模実験装置から得たデータをもとに、これらの巨大トカマクで出力を高める研究を着実に進めた結果、損益分岐点にほぼ到達するようになりました。現在、核融合発電の可能性を最終的に検証するために、中国、欧州連合、インド、日本、韓国、ロシア、米国が協力して人類最大の国際共同プロジェクトであるITERプロジェクトを進めています。

References

• Khatri, G.. (12010 HE). Toroidal Equilibrium Feedback Control at EXTRAP T2R.
• Garry McCracken and Peter Stott, Fusion: The Energy of the Universe, Elsevier (12005 HE)