太陽はすでにあるのに、なぜ「人工太陽」を研究する必要があるのか​​？丨大国の技術

レビュー専門家：ガン・チアン、北京理工大学講師、応用化学博士

「人工太陽」が再び記録を更新し、国産大型旅客機C919が商業運航を達成し、新疆の塩性アルカリ地帯では海産物が豊作となり、医療用重イオン加速器が臨床応用され、国産初の大型クルーズ船「愛達魔城」が海上試験を無事に終え、世界最深の地下実験室は暗黒物質の「訪問」を待っている... 2023年、わが国の科学技術は新たな飛躍を遂げ続け、人類の生活と発展に新たな可能性とチャンスをもたらしました。

中華人民共和国建国74周年を記念して、北京デジタル科学センターは特別コラム「大国科学技術スタイル」をお届けし、党の指導の下で今年達成された科学技術の成果を振り返ります。

2023年8月25日、中国核工業集団傘下の西南物理研究所は、新世代の「人工太陽」「中国トカマク3号」（HL-2M）が初めて100万アンペアのプラズマ電流下での高閉じ込めモード運転を達成したと発表した。これは太陽内部の核融合反応に基づいており、反応後に膨大なエネルギーを放出することができます。

中国のCirculation 3のCAD図面 出典: Wikipedia

この画期的な成果は、核融合装置の総合的な能力を反映したものであり、我が国の核融合エネルギー開発プロセスにおける重要な節目となります。 2022年11月初め、華西物理研究所はHL-2Mのプラズマ電流が初めて100万アンペアを超えたと発表した。今回実現した「高制約モード運転」の意義は何でしょうか？

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「人工太陽」の研究的意義と動作原理は何ですか？

「人工太陽」は実際には大規模な熱核融合炉であり、その中核技術は核融合技術です。核融合とは、高温高圧の条件下で軽い元素（水素など）が重い元素（ヘリウムなど）に融合され、核融合反応を通じて膨大な量のエネルギーが放出されるプロセスです。この人工核融合反応によるエネルギー放出の形態は、恒星太陽で起こる核融合反応と非常に似ているため、「人工太陽」と呼ばれています。

重水素-三重水素核融合反応によりヘリウムと中性子が生成される。出典：Wikipedia

核融合を実現するための条件は極めて厳しい。太陽では、核融合プロセスは、非常に高い温度（数百万度）と非常に高い圧力で発生しますが、これらは両方とも不可欠です。科学者は強力な磁場とプラズマを使って、地球上でこれらの状態をシミュレートします。

プラズマは高温のガス状態であり、通常は水素同位体（重水素や三重水素など）で構成されています。一部の原子や原子団が電離し、電子が奪われることで生成される、正イオンと負イオンからなる電離気体物質です。科学者たちは磁場を使って帯電プラズマの動きを制御し、プラズマが容器のシェルに接触して装置の損傷などの深刻な結果を引き起こすのを防いでいます。

プラズマを必要な高温にするために、科学者はレーザー、マイクロ波、無線周波数ヒーターなどのさまざまな加熱システムを使用します。プラズマが十分に高い温度と圧力に達すると、核融合反応が起こり始めます。このプロセスでは、水素同位体の原子核がより重い元素に融合され、通常は重水素と三重水素の反応によってヘリウムと中性子が生成され、膨大な量のエネルギーが放出されます。
核融合が起こると、放出されたエネルギーを捕捉して利用する必要があります。このエネルギーは、反応室の周囲の熱交換装置を通じて電気エネルギーに変換されます。

商業的に制御された核融合発電所はまだ建設されていないが、国際熱核融合実験炉（ITER）などの国際協力プロジェクトがこの目標の実現を積極的に推進している。

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「人工太陽」の研究の進展

「国際熱核融合実験炉（ITER）計画」は「人工太陽」の正式名称です。これは世界最大かつ最も広範囲にわたる国際科学研究協力プロジェクトの一つです。 ITER 装置は、大規模な核融合反応に使用できる「トカマク」としても知られる超伝導磁気閉じ込め核融合装置です。中国は2003年1月に正式にITERプロジェクト交渉に参加した。2006年5月、中国のITER交渉合同チームは欧州連合やインドを含む6者と協力協定に署名した。中国は2006年に世界初の完全超伝導磁気閉じ込め核融合装置を独自に設計・開発し、2007年に国家検定を通過した。

我が国がITERプロジェクトに参加することを決定したのは、国の基礎物理学研究レベルを向上させるためだけではなく、長期的なエネルギー需要と環境条件を考慮し、効率的でクリーンな将来のエネルギーを開発する能力を確保し、中国社会の持続可能な発展を確保するためでもあります。

ITER のトカマク装置の小型モデル 出典: Wikipedia

2020年7月28日、国際熱核融合実験炉（ITER）の主要なプロジェクト開始式がフランスの本部で開催されました。

2020年12月28日、韓国の先進的超伝導トカマク研究が新たな世界記録を樹立した。超伝導磁気閉じ込め核融合装置は、プラズマを1億度を超える高温に最大20秒間維持することに成功した。

今年5月28日午前3時2分、中国の研究者らの40年にわたる努力の末、完全超伝導磁場閉じ込め核融合装置「中国トロイダル3号」が1億2千万度という極めて高温で101秒間のプラズマ動作を達成した。核融合装置は、温度が恐ろしい1億6000万度まで上昇した後でも、室温で20秒間作動することができます。これは、我が国が制御核融合の分野で成し遂げた大きな科学技術の進歩であり、世界の科学研究と工学における重要な前進です。

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将来の機会と課題

「人工太陽」に使われる制御された核融合技術は、基礎物理学の分野における大きな課題です。核融合の研究と応用は、巨大かつ複雑な科学的、工学的課題です。世界中で何千人もの科学者や技術者が昼夜を問わず協力して謎の探究に取り組んでいます。彼らは数十年にわたって制御核融合の中核技術の探究を続け、膨大な物質と人的資源も費やしてきた。しかし、今日の制御された核融合には、まだ埋めなければならないいくつかの空白と困難が残っています。

① 膨大な電力需要と電力損失

「人工太陽」の高温プラズマを制御するには、巨大な磁場が必要だ。国際熱核融合炉（IETR）を例にとると、その磁場は13万ガウスにも達します。この強さの磁場を維持するには、導体に大量の電流を流す必要があります。抵抗が存在するため、導体は非常に熱くなり、大きなエネルギー損失が発生します。現在の超伝導材料のほとんどは高圧低温環境を必要とするため、「人工太陽」は「氷と火」のように見え、これを実現するのは非常に困難です。

吊り下げられた超伝導物質 出典: Wikipedia

②エネルギーの入出力バランス

制御された核融合では、核融合プロセスを維持するためにエネルギー入力が出力以上であることを保証する必要があります。これは「ローソン基準」とも呼ばれます。これには、プラズマを加熱するために大量のエネルギーを投入しながら、生成されたエネルギーを収集して変換するエンジニアが必要です。

③材料公差

現在、プラズマによって生成される高エネルギー中性子は、シェルやその他の材料に損傷を与える可能性があります。そのため、材料科学者は、原子炉が長期間安定して稼働できるように、放射線耐性を向上させる新しい材料を開発する必要があります。

④制御プラズマ

プラズマは非常に不安定な状態であり、その内部の温度と圧力は空間的に均一に分布していないため、プラズマは非常に不安定になります。科学者たちは、ドリフトやねじれ、磁場の不安定化を防ぐための正確な制御を実現するより堅牢な方法に取り組んでいます。

⑤ 大規模ファンド

制御された核融合研究を行うには、国際熱核融合実験炉（ITER）のような巨大な実験室を建設する必要があり、莫大な資金と国際的な協力が必要となる。これらは、核融合反応をシミュレートするための複雑な装置や大規模な実験を収容するために建設されました。

核融合エネルギーには、原材料が尽きないこと、環境汚染がゼロであること、高放射性核廃棄物が発生しないことなど、多くの利点があります。したがって、これは将来の人類のエネルギーの主要な展望の 1 つであると考えられています。 「人工太陽」の研究は、人類が新たなエネルギー源を模索する上で重要な一歩です。

こうした困難や課題にもかかわらず、科学者たちは技術と設備を絶えず改良し、制御された核融合を実現するという目標に向けて着実に前進しています。近い将来、さらなる飛躍的進歩が期待され、エネルギー問題の解決と気候変動の緩和に向けた選択肢がさらに増えるでしょう。