2023年8月のある日、すべての主要分野でニュースが流れた。中国の人工太陽「ジャイア3」が初めて100万アンペアのプラズマ電流下で高制約モード動作を達成した。これは我が国の制御可能な核融合キャリアの重要な記念碑である。 「Gyre 3」は一種の磁気閉じ込め核融合を応用したもので、まず燃料を加熱してプラズマ化し、次に磁場を利用して高熱プラズマ中の荷電粒子を拘束し、らせん状に移動させ、核融合反応が起こるまでプラズマをさらに加熱する。
率直に言って、100万A倍のプラズマ電流の下で高制約モード動作を達成することは、孫悟空にとって黄金の輪を開発するようなものです。引き締める呪いを唱えることで、孫悟空は故意の行動ではなく善行を行うことができるようになる。
世界中で、磁気核融合の閉じ込めを実現する方法は数多くあります。たとえば、トカマクとしても知られるリング磁気マシンです。これは、プラズマ柱に電流 (大きな赤い矢印) を流す変圧器によって引き起こされる電場によって機能し、プラズマ電流を円 (緑の垂直円) に曲げるポロイダル磁場を生成します。プラズマ柱を円形に曲げることで漏れを防ぎ、ドーナツ型の容器内で真空を作り出します。円の長さを取り囲むもう 1 つの磁場は、トロイダル磁場 (緑色の水平円) と呼ばれます。 2 つの磁場が結合して、プラズマが高度に閉じ込められた螺旋構造 (黒で表示) に似た 3 次元曲線を形成します。端的に言えば、ロバが水車を引くようなものです。ロバは常に石臼の周りを旋回し、石臼の回転によって生産物を生産します。
上記のプラズマとは、非常に高温になった気体の状態を指します。プラズマ中では、原子から電子が剥ぎ取られます。原子核の周りを回る電子を失った原子は電離状態にあると言われ、イオンと呼ばれます。したがって、プラズマはイオンと自由電子で構成されています。プラズマはほぼ完全な導電性を持ち、磁場の影響を受けるとフィラメント、円柱、二重層などのさまざまな三次元構造を示します。磁場は、さまざまなプラズマを捕捉、移動、加速するためにも使用できます。孫悟空も同様です。彼は泰尚老君の錬金炉で焼かれ、鋭い目と金色の目を持っていました。出てきたら一目で白骨霊を見破った。
一般に核融合でよく使われる単位はメガワット、つまりMWです。たとえば、1991 年に欧州のジョイント リング核融合炉は初めて制御核融合を実行し、約 1.7MW の電力を生成しました。わずか 2 秒間ですが、人類のクリーン エネルギーの歴史の中で最も重要な部分の 1 つです。ただし、元のニュース記事では電流の単位（アンペア）のみが表示され、メガワットは電流と電圧の積です。つまり、現在「ジャイア電流3号」が実装しているのは、電圧を入力して発電、つまりリアクター点火に変換できる制御方式が中心である。これが孫悟空の黄金の輪と比較される理由です。
不適切な例を挙げると、一般的な単三電池を「ハイブリッド3」に接続した場合でも、その発電量は1.2MWに達します。 100万アンペアのプラズマの高閉じ込めの金含有量の偽装説明。
学習への道における研究開発
2006 年 11 月、中国、欧州連合、その他の 7 か国は、国際熱核融合実験炉プログラムを開始する協定に署名しました。この計画は ITER (国際熱核融合実験炉) によって推進されており、今日の世界における制御磁気閉じ込め核融合の主要な科学技術成果を統合し、多くの技術的問題を解決しています。 2007 年までに、フランスは 500MW トカマクの建設を開始しました。
この装置では、核融合反応を実行するために、プラズマが太陽の核の10倍にあたる摂氏1億5000万度まで加熱される。対照的に、機械内の超電導磁石の温度は摂氏マイナス 269 度以下です。このトカマクには合計約1,000万個の部品が必要で、ITER建設現場には世界中から部品が持ち込まれます。摂氏 1 億 5,000 万度の概念とは何ですか? 『西遊記』の後世の解釈によれば、レッドボーイのサマーディ真の火は摂氏4、5千度しかない。反応炉の温度は、30万人のレッドボーイをつなぎ合わせたものに相当します。
ITERの最新報告書によると、この機械は50%組み立てられ、2025年12月に第一段階の運転が行われる予定です。この機械が完全に機能すれば、世界中の化石燃料はすべてクリーンエネルギーに置き換えられるでしょう。
しかし、『西遊記』で描かれているように、孫悟空は広大な超自然的な力と無限の魔力を持っています。小さな金の輪だけで彼を縛り付けようとするのも愚かな夢です。最も基本的な点火を例にとると、反応器の温度を摂氏 1 億度以上に加熱できない場合、反応器は反応しません。現在、主な加熱方法は、高周波放電を使用して中性水素をイオン化し、トロイダルコイルに沿って生成される大きなポロイダル磁場の電流によって加熱される低温プラズマを形成するオーミック加熱です。プラズマはほぼ完全な伝導性を持っていると上で述べましたが、プラズマには一定の抵抗もあり、電流が流れると依然として熱が発生します。ただし、電子温度が上昇するとプラズマの抵抗率が急激に低下するため、オーム加熱の電力密度も急激に低下し、オーム加熱の使用が制限されます。
もう一つの方法は高エネルギー中性粒子ビーム入射加熱法であり、主にトカマクで用いられる加熱方法である。プラズマ加熱に使用される中性粒子ビームは、一般に高エネルギーの中性ネオン原子ビームです。高エネルギーの中性粒子は核融合装置内の磁場の影響を受けず、プラズマの中心領域に直接注入できます。中性原子がプラズマに入ると、電荷交換と衝突のプロセスを通じて直ちにイオン化されます。これらの高エネルギーイオンは磁場によって捕らえられ、元のプラズマとのクーロン衝突を通過します。加熱という目的を達成するために、プラズマにエネルギーが与えられます。
しかし、イオン源内の高エネルギーイオンビームが電子を捕捉して中性化ガスチャンバー内で中性粒子ビームに変える効率は、粒子のエネルギーが増加するにつれて急激に低下します。イオン源からマイナスイオンビームが引き出される場合、エネルギーが増加してもマイナスイオンを中性粒子に変換する効率はそれほど低下しません。これは、マイナスイオンから過剰な電子を分離する方がはるかに簡単であるため、高出力のマイナスイオン源が必要となるためです。
さらに、中性ビームの加熱効率に対する重要な制限は、コイル壁によるガスの吸収による炭素および酸素の不純物の存在です。炭素と酸素の濃度は 1% に達することがあります。中性ビームとこれらの不純物との間の電荷交換により、高度に励起された炭素イオンと酸素イオンが生成され、それらの線状放射によりエネルギーが失われ、加熱効率が急激に低下します。
制御可能な核融合への道には困難があるにもかかわらず、その経験から学ぶためには81の困難を乗り越えなければならないのと同じように、我が国の原子力産業は1980年以来、すでに多くの分野で重要な研究成果を上げている。上記のトカマクの利点により、中国の核融合研究コミュニティは数十年にわたりトカマクプラズマに注目している。 1980 年から 1990 年代半ばにかけて、HT-6B、HT-6M、HL-、HL-1M などの中小型トカマク装置が開発されました。
1994年と2002年に、ロシア（T-7トカマク）とドイツ（ASDEXトカマク）から提供された設備に基づいて、我が国はそれぞれアジア科学物理研究所とSWIPでHT-7とHL-2Aを建設し、中国は超電導トカマクを開発できる4番目の国となった。中国が世界初のトカマク-EAST（先端超電導トカマク実験、略してEAST）を建設したのはまさにこのためである。 EAST は、上部および下部ダイバーターを備えた世界初の完全超電導トカマクです。ロングパルス、定常状態、高制約モードで動作するように設計されており、高制約モードで101秒の放電を実現しています。 EAST は世界で重要なトカマク装置の 1 つになりつつあり、将来の装置 (ITER や CFETR を含む) に高性能で長パルスの動作シナリオを提供できます。
中国の磁気閉じ込め核融合事業に関する限り、EAST は最初のステップにすぎません。次に、我が国は、最新の加熱と電流駆動と診断のロングパルス高制約モードと定常状態動作を実現します。 HL-2Mを通じて、高い補助加熱力の下での高性能プラズマ物理学を研究します。次のステップは、ITERとCFETR（中国核融合工学試験炉）に関連する主要技術の開発です。 「すべての放浪者が道に迷ったわけではありません。」唐僧の 4 人の師匠と弟子は明確な指針を持ち、真の経典を入手するためについに雷隠寺に到着しました。
CFETR の建設は 2030 年代に完了する予定です。 CFETR の運用計画は 2 つのフェーズに分かれています。第 1 段階の目標は、100 ～ 200MW の核融合出力を達成することです。このフェーズでは、ITERQ=10 の運用を補完するものとして、定常状態の運用とトリチウムの自給自足を検討します。 Q=10 は ITER の目標の 1 つであり、プラズマ内で 10 倍の電力リターンを生み出すことを意味します。
第二段階は2040年代に完了する予定だ。核融合出力1GWのトカマクCFETRもその時に実証される予定だ。試作核融合発電所（PFPP）は2060年頃に建設される予定で、これは商業用核融合発電所を設立するための中国の磁気閉じ込め核融合ロードマップの最終ステップとなる。今日の観点から見ると、2060 年まであと 40 年もありませんが、まだ長い時間がかかります。しかし、制御可能な核融合の分野では、中国の磁気閉じ込め核融合産業が急速に発展している。
アジア原子力開発本部
核分裂発電の観点から見ると、中国の原子力産業には現在9,242社の大手企業が存在する。 2021年の登録企業数は2,327社、2022年には1,675社の原子力企業が登録されました。これはまた、我が国の原子力産業が過去2年間で非常に急速に発展したことを証明しています。なお、我が国の原子力発電は総発電量の5％に過ぎませんが、ロシアやイギリスなどの他の先進国では、それぞれ原子力発電が総発電量の19.6％、14.2％を占めています。確かに、我が国は制御可能な核融合の分野で多くの大きな進歩を遂げてきましたが、真の低炭素・低排出のクリーンエネルギー社会の実現を目指すのであれば、原子力の系統連系の実用化も無視できません。
核融合発電所を使用すると、核分裂発電のように酸性雨や温室効果を引き起こさないため、世界の電力需要の増加による環境への影響を大幅に削減できます。燃料がすぐに入手できるため、核融合発電は継続的な経済成長に伴うエネルギー需要を容易に満たすことができます。核融合反応が制御不能になる危険はありません。結局のところ、反応が制御不能になると、何も起こりません。核融合では長寿命の放射性生成物は生成されず、未燃ガスは現場で処分できますが、構造材料の放射化による短期から中期の放射性廃棄物の問題が依然として残ります。高エネルギー中性子の衝突により、一部の構成物質は原子炉の寿命中に放射性となり、最終的には放射性廃棄物になります。もちろん、これも核融合発電の実用化において考慮すべき重要な側面である。
PFPPは中国における核融合商業化の第一歩となる。 「Gyres-3」の次は「Gyres-4」「Gyres-5」となります。それぞれの機器はいくつかのブレークスルーをもたらし、最終的には我が国の核融合クリーンエネルギーが従来の再生不可能な炭素エネルギーに取って代わることができる状況を実現するでしょう。