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2026-01-13 00:30:00
中国の核融合炉の科学者たちは最近、原子炉容器を高密度で運転する上で重要な障害を克服した。彼らはプラズマ密度を特別な閾値を65%超えて押し上げ、核融合反応が自立する段階である燃焼プラズマを達成するための長年の障壁を克服する安定状態に入った。
核融合発電は太陽の中で起こっていることを模倣します。水素原子は激しく衝突し、融合してヘリウムとなり、大量のエネルギーを放出します。しかし、この反応は、通常 1 億度以上の極端な温度で原子が狭い空間に詰め込まれている場合にのみ機能します。
グリーンワルド限界
これらの反応を維持するように設計された反応器では、科学者は、密度×温度×閉じ込め時間の 3 乗積を使用して成功度を測定します。技術者が点火、つまり核融合反応が持続する状態に達するには、3 つの数値がすべて非常に高い必要があります。密度は、原子炉に押し込める燃料粒子の数です。密度が高くなると、衝突と融合が多くなります。
しかし、落とし穴があります。超高温プラズマを保持するために設計されたドーナツ型の磁性容器であるトカマクは、数十年にわたってグリーンワルドの密度限界に達していました。この制限を超えると、プラズマが崩壊して原子炉に損傷を与える可能性があります。グリーンワルドの公式は、この制限をプラズマ電流とリアクターのサイズに関連付けます。
中国の合肥にある EAST 核融合炉は通常、この制限の 80% から 100% の間で稼働しています。しかし、1月1日の新聞では、 科学の進歩、EASTチームは、限界の1.3倍から1.65倍の密度で安定したプラズマを達成したと報告しました。
ダイバータの温度
チームは 2 つの技術を組み合わせることでこれを達成しました。まず、起動時に電子サイクロトロン共鳴加熱 (ECRH) を使用しました。 ECRH では、マイクロ波ビームがプラズマに照射され、電子が数百万度まで加熱されます。これは、プラズマ電流を増加させる前に発生します。プラズマ電流は、プラズマを加熱して磁気ケージの形成を助けるためにプラズマを通って流れる大電流です。第二に、チームはチャンバー内にさらに多くの重水素ガスを入れて開始し、プラズマが加熱するにつれて水素燃料を供給しました。
実験では、EAST のタングステン表面をリチウムの薄層でコーティングして状態を整え、不純物を削減しました。
全体的な組み合わせにより、プラズマが反応器壁とどのように相互作用するかが変わりました。プラズマが壁に触れると、壁からタングステン原子がプラズマ中に放出されます。タングステンは多量の熱を放射する不純物であり、プラズマの崩壊を引き起こす可能性があります。
これが悪循環を生み出します。熱いプラズマが壁に衝突し、不純物が放出され、不純物が熱を放射します。プラズマはそれを補おうとする箇所でさらに熱くなり、それらのホットスポットがより強く壁に当たり、より多くの不純物を放出します。最終的にシステムは混乱に陥る可能性があります。
2021年、フランスのエクス・マルセイユ大学の物理学者ドミニク・エスカンデ氏らは、この挙動を数学的に予測するプラズマ壁自己組織化（PWSO）理論を開発した。この理論によれば、グリーンワルド限界に近い密度限界領域と、密度限界が限界を超えた無密度領域という 2 つの安定状態が存在します。
2 つの状態の違いは、プラズマが壁に接する反応器の部分であるダイバータの温度です。ダイバータが低温であるということは、粒子と壁の間の衝突がより穏やかになり、不純物が少なくなり、したがって水素原子をより高密度に詰めることができるよりクリーンなプラズマを意味します。
スパッタリングが少ない
EAST チームは 2 セットの実験を実行しました。最初の実験では、ECRH 出力を 600 kW に保ち、ガス圧力を変化させました。 2 つ目では、ガス圧力を固定し、ECRH 出力を変化させました。
このようにして、チームは、チャンバー内のガスが増加するとダイバーターが冷却され、タングステン汚染が減少することを発見しました。
ECRH 出力を変化させた場合の影響は小さくなりました。研究者らは論文の中で、それは試験で比較的低いガス圧を使用したためである可能性があると書いている。
ECRH支援による起動中のEASTトカマク運用の概略図。 |写真提供: ヤン・ニン
同じ設定で ECRH ショットを繰り返したところ、予想外の発見が 1 つありました。その後の実験では、同じ電力とガスの入力であっても、最初の実験よりも高い密度に達しました。研究チームは、これは、複数の高密度プラズマがタングステン表面を「調整」し、スパッタリングが起こりにくくなり、壁の状態が時間の経過とともに改善されたためであることを発見した。
実験では最大 5.6 × 10 の密度を達成することができました。19 1立方メートルあたりの粒子数は、EASTリアクターの通常の3.4×10より約65％高い19。ダイバータターゲット付近のプラズマ温度も約110万度から70万～80万度へと約3分の1低下した。プラズマに混入する重原子も減少した。
限界を超えて
測定結果は、PWSO 理論の予測と非常によく一致しました。研究チームは、プラズマ内で不純物の温度と密度がどのように変化するかをシミュレートするために、単純化した 0 次元モデルとより複雑な 1 次元モデルの両方をテストしました。どちらのモデルも、EAST の結果を無密度領域、つまりプラズマ密度がグリーンワルド限界を超える安定状態に直接配置しました。
武漢のJ-TEXTトカマクでのこれまでの実験は密度限界体制のままだった。違いは、J-TEXT リアクターのカーボン壁である可能性があります。タングステンがプラズマに衝突してスパッタリングする一方で、炭素は追加の化学反応を起こし、より多くの不純物を放出します。
新たな進歩は核融合エネルギーを「解決」するものではありません。 EAST テストは比較的低い電力とプラズマ電流で実行され、発電所に必要な時間ではなく数秒続きました。
無密度体制も、本当に無制限というわけではありません。極度の密度では、ダイバータとは関係なく、さまざまな種類の乱流や不安定性が発生する可能性があります。密度が増加すると、エンジニアはプラズマを融合するのに十分な温度を維持するためにより多くの電力も必要になります。しかし、これらの制約はグリーンワルドの限界をはるかに超えて発生します。
同論文によると、将来の実験では、エンジニアはECRH出力とガス圧力の両方を増加させることでダイバータ温度をさらに下げ、プラズマがかろうじて壁に触れる状態である完全分離に到達する可能性があるという。分離したプラズマは、グリーンワルドの限界の数倍の密度で動作する可能性があります。
ITERに関する事項
「今回の研究結果は、トカマクや次世代燃焼プラズマ核融合装置の密度限界を拡張するための実用的かつ拡張可能な経路を示唆している」と武漢の華中科学技術大学のZhu Ping氏はリリースで述べた。
核融合研究者は、密度をグリーンワルド限界による制約として扱いながら、温度と閉じ込め時間に焦点を当てることがよくあります。新しい実験はその仮定に疑問を投げかけます。潜在的な意味は、原子炉を 2 倍の燃料密度で運転できれば、より低い温度またはより短い閉じ込め時間で点火条件を達成できる可能性があるということです。
これは、フランスで建設中でインドも投資している大規模な国際核融合実験である ITER にとって重要である。
「密度限界は、核融合発電所のトカマクプラズマにおける重大な問題の一つである。…論文で提案されたプラズマ壁自己組織化理論は、ITERの密度限界を克服するために検証されるべきである」と量子科学技術研究開発機構の樋渡良治氏はX.comに書いている。
発行済み – 2026 年 1 月 13 日午前 6 時 (IST)
#中国の東核融合炉が密度限界を突破し電力への道を広げる