制御された核融合の新しい方法が予想を覆す、最初の光が灯る日が来るのか？

昨日、制御核融合の将来に対する私の予想を覆すニュースを見ました。 Zap Engineeringというあまり知られていないスタートアップ企業が、まったく新しいアプローチでコストを節約し、大きな進歩を遂げています。一部の業界専門家やメディアは、この技術を制御核融合技術における重要なマイルストーンであると信じ、高く評価しています。

現在、Zap Engineering はこの技術のモジュール化に取り組んでおり、近い将来に市場で提供可能になると主張しています。この画期的な進歩により、制御核融合の商業化のプロセスが本当に大幅に短縮されるのでしょうか?調べてみましょう。

制御核融合とは何かについて簡単に説明しましょう。

制御核融合は、太陽内部の核融合の原理を利用して、社会の利益のために地球上で長期にわたる水素核融合エネルギーを生み出します。実は、水素爆弾の爆発は核融合のエネルギーなのですが、それは制御不能なのです。 「ドカン」と消えます。戦争以外では、社会に利益をもたらすことはできません。

制御核融合とは、瞬間的に放出される膨大なエネルギーを「ドカン」とゆっくり放出することで発電し、相当の期間にわたって無尽蔵のエネルギーを得ることができるというものです。このエネルギーは太陽と同様の方法で生成されるため、一般に人工太陽または人工小太陽として知られています。

しかし、太陽の中心部は、その巨大な質量のおかげで水素の核融合反応を継続的に起こすことができ、その結果、3000億気圧に達する巨大な求心収縮圧力が生じます。このような圧力は地球上で人工的に作り出すことはできません。太陽の中心部の1500万度よりも高い温度が必要で、太陽の中心部の温度には1億度以上が必要です。

そこで疑問になるのが、プラズマをどうやって 1 億度まで加熱するかということです。さらに、地球上で最も耐熱性の高い金属は、わずか数千度で溶けます。核融合から数千度のプラズマを何万個も「封じ込める」には、どのような容器が使えるでしょうか?この高温プラズマはどのようにして電気を生成するのでしょうか?これらは、制御された核融合のために解決する必要がある主要な問題の一部になります。

科学者たちは何十年もこの研究に取り組んできましたが、ようやく進歩が遂げられつつあります。核融合の高温プラズマを「閉じ込める」方法には、磁気閉じ込め、慣性閉じ込め、重力閉じ込めの 3 つがあります。これらの方法はすべて非物質的な閉じ込め方法であり、高温プラズマが容器の内壁に衝突するのを防ぐためのものです。

重力閉じ込めは太陽が使用する方法であり、地球上では実現できないため、人々は磁気閉じ込めと慣性閉じ込めからしか方法を考えることができません。 1950年代初頭、旧ソ連の科学者たちは、コイルを使って内部に磁気トラップを作り、高温のプラズマを磁気トラップ内に閉じ込める「トカマク」と呼ばれる装置を発明しました。

世界における磁気閉じ込め制御核融合開発の現状/

制御された核融合技術の開発にトカマク装置を使用するのは古典的な磁気閉じ込め方式であり、世界でも主流となっています。中国は、EASTと呼ばれる非円形断面完全超伝導トカマク実験装置を独自に開発し、現在世界をリードする立場にある。実験では、7000万度の長パルス高パラメータプラズマの運転を1056秒間維持すること、1億2000万度の温度でプラズマを101秒間動作させること、1MAのプラズマ単一流量を達成することなど、いくつかの世界をリードする成果が得られました。

アメリカ、イギリス、日本など多くの国でも制御核融合が進み、エネルギーを生み出すことはできるものの、維持できる時間が短すぎ、たとえ生み出せたとしても出力エネルギーがまだ不十分です。次に解決しなければならない主な問題は、核融合プラズマを長時間安定して連続的に燃焼させることであり、出力エネルギーは入力エネルギーよりもはるかに高くなければなりません。これは象徴的には Q=1 以上に到達することで表されます。

これらの問題は言うのは簡単ですが、実行するのは難しいです。したがって、世界中の専門家は、制御された核融合の商業的応用が真に実現されるまでには少なくとも 30 年、あるいはそれ以上かかるだろうと一般的に同意しています。

中国も2025年にQ=5を達成し、徐々にQ=10に到達するという独自の計画を立てている。 2030年に実証事業発電を達成し、Q=5の条件で200MWの発電を達成し、まずはQ=10の条件で1GWの定常発電を達成することを目指します。

この計画から判断すると、仮にうまく実行できたとしても、早くても2030年までは試運転で初灯が点灯できず、本格的な商用発電は2050年まで実現しないことになる。

慣性閉じ込め制御核融合の開発/

いわゆる慣性閉じ込めは、粒子の慣性を利用して粒子自体を閉じ込め、それによって核融合反応を達成する方法です。より古典的な方法は、高エネルギーレーザーまたは荷電粒子ビームを使用して非常に小さなターゲットペレットを照射し、ターゲットの表面材料を急速に溶かして激しく外側に放出させるというものです。放出の反作用の力によって衝撃波が形成され、それが内側に伝播して巨大な圧力が生じ、ターゲットペレット内の水素同位体である重水素と三重水素が融合します。

この技術は 1960 年代に早くも提案されました。旧ソ連とアメリカは多数の実験を行ってきた。我が国も2000年からこの実験を開始していますが、これまでのところこの技術は大きな進歩を遂げておらず、まだ実験室での試験段階にあります。

今年5月には、ファースト・ライト・フュージョンという英国の企業が別のアプローチを取り、高速射出技術を使って核融合を起こしたと報じられた。具体的には、2つの大型超空気加速砲を使って燃料を音速の10～20倍まで加速し、重水素燃料コアに埋め込まれた小片に撃ち込んで崩壊衝撃波を形成します。瞬間圧力は10億気圧に達し、燃料は核融合反応を起こすのに十分な速度で自己爆発します。

核融合の高温により水が加熱され蒸気が発生し、その蒸気でタービンが回転して発電機が駆動し、電気エネルギーに変換されます。こうして制御された核融合発電が実現します。

この装置の開発は、海洋のテッポウエビからヒントを得ました。ドラムシュリンプとしても知られるピストルシュリンプは、体長約5cmで、熱帯の海の浅瀬に生息しています。このエビは「ブラックテクノロジー」という武器を持っています。獲物を攻撃する際、瞬間的に時速100キロメートルの速さで水流を噴射し、小さな低圧の泡を形成します。泡が発生して破裂するまでには、わずか 10 億分の 1 秒しかかかりません。爆発すると温度は瞬間的に4,700度に達します。泡の衝撃波に当たった獲物は逃げるのが困難です。

そこで、ファーストライトフュージオが開発した高速「空気銃」は「ピストルシュリンプ」と名付けられました。この「ピストルシュリンプ」核融合方式は、発電の理想に大きく近づくもので、高価な高エネルギーレーザーエミッターを使用するよりもコストがはるかに低いと言われています。同社は現在、この技術を利用して2030年に電力生産のパイロットプラントを開設する計画を立てている。

これは間違いなくダークホースと呼べるものであり、慣性閉じ込め制御核融合の開発におけるユニークな取り組みであり、真の革新であり、時代を先取りしたものであり、現在高く評価されています。

ザップエンジニアリングの制御核融合技術は依然として磁気閉じ込め技術である。

報道によると、シアトルを拠点とするスタートアップ企業は、トカマク装置とはまったく異なるルートをたどる「Zピンチ」と呼ばれるシステムを開発したという。トカマク装置で必要とされる多数の高価な磁石、磁気コイル、遮蔽材、およびそれらを保護するための複雑なネットワークを廃止し、プラズマ自体の磁場を使用して比較的短い柱内に閉じ込めるだけです。

報告書では、プラズマを柱に「釘付け」にして「締め付ける」という鮮明な比喩が使われていた。プラズマ自体は電荷を帯びているため、理論的には磁場や磁気トラップも形成できます。報告書では、この技術が「せん断軸流技術」と呼ばれているとだけ述べられており、それ以上の技術的な詳細は明らかにされていない。私たちが深く考える必要はありません。これは専門家の問題です。

現在わかっていることは、この技術が成功し、500キロアンペアで実証されたということです。ザップ・エンジニアリングの最高技術責任者は、FuZE-Qと呼ばれるこの装置はZピンチ装置の第4世代であり、次世代は損益分岐点、つまりQ=1を達成するために650キロアンペアの電流に対応できるように設計されると述べた。

Zap Energy チームは現在、シリーズ C の資金調達で 1 億 6,000 万ドルを受け取っており、次のステップとしてこの核融合技術をできるだけ早く市場に投入することを野心的に宣言しています。彼らは、ガレージに収まるほど小型でモジュール化された原子炉を大量生産することでこれを実現することを構想している。

このようにして、これらのモジュールを展開して遠隔地のコミュニティに電力を供給したり、大規模な集合体に組み合わせて都市全体に電力を供給したりすることができます。この装置は、従来のトカマク装置や慣性閉じ込め装置のような高価な材料を必要としないため、コストが大幅に削減され、社会に受け入れられ、普及しやすくなります。

それでは、古典的な制御核融合技術から生まれたこれらの新しい技術は、各国の従来の古典的な技術に損害や影響を与えるのでしょうか?現時点では判断が難しいです。しかし、これら 2 つのスタートアップ企業、First Light Fusio と Zap Engergy のテクノロジーは、本当に衝撃的で目を見張るものがあると思います。

国家の支援を受ける世界クラスの有力企業やトップクラスの研究機関が何十年もの間、古典的な技術に没頭しながら少しずつ前進してきた一方で、これらの中小企業は独自の独創的なアプローチで独自の新しい世界を切り開き、コストを大幅に削減しただけでなく、期待を早めました。これが、カーブで追い越し、トリックなしで勝つための本当の方法のようです。

もちろん、華山剣コンテストで誰が優勝するかはまだ決まっていません。ラバであろうと馬であろうと、散歩には連れ出す必要があります。世界で初めて制御核融合の商業応用のランプを灯すことができた者が王者となるだろう。それは私たちでしょうか?そうなることを祈っていますが、待って見なければなりません。

今日はここまでです。議論へようこそ、そして読んでいただきありがとうございます。

Space-Time Communicationの著作権はオリジナルです。著作権侵害や盗作はしないでください。ご理解とご協力をよろしくお願いいたします。