米国エネルギー省 (DOE) 科学局の支援を受けて、研究者たちは、核融合を実用的な商用エネルギー源に開発するという長期目標に向けて、核融合についての理解を深めようと取り組んでいます。米国エネルギー省プリンストンプラズマ物理研究所（PPPL）の科学者らは最近、プラズマを閉じ込める際の安定性で知られる有望な核融合装置であるステラレーターの開発で大きな進歩を遂げた。
核融合には、クリーンで事実上無制限のエネルギー源を提供する可能性があります。化石燃料とは異なり、核融合は温室効果ガスや長寿命の放射性廃棄物を生成しません。核融合は、軽い原子核 (水素原子核など) を、プラズマ (過熱された電気的に帯電したガス) が形成されるまで加熱することによって機能します。星はプラズマでできているため、目に見える宇宙の約99％はプラズマで構成されています。
重要な課題は、このプラズマを制御することです。核融合エネルギーを実用化するには、安定した核融合反応を維持できる装置を開発する必要があります。高温プラズマを効果的に制御および管理することにより、核融合反応によって生成されるエネルギーは、消費されるエネルギーよりも大きくなります。
磁気閉じ込め装置: トカマクおよびステラシミュレータ
核融合研究者は、磁気閉じ込めや慣性閉じ込めなど、いくつかの異なる技術に取り組んでいます。最も一般的な 2 つの磁気閉じ込め構成は、トカマクとステラレーターです。どちらも非常に強力な磁場を使用してプラズマを閉じ込め、ドーナツ状に保ちます。
それらの違いの 1 つは、磁場の生成方法です。トカマクには 3 セットの大型磁場コイルがあります。コイルの 1 つはプラズマの中心を流れる電流を生成します。この電流によって生成される磁場は、プラズマの閉じ込め効果を高めます。対照的に、ステラレーターにはプラズマの外側を取り囲む多数の磁気コイルがあります。それらはリングを取り囲むねじれた磁場を形成し、中心電流の必要性を排除します。
ステラレーターには、トカマクに比べていくつかの重要な利点があります。核融合反応を維持するために必要な電力が少なく、設計がより柔軟で、装置の壁を損傷するプラズマの中断が発生する可能性が低くなります。
しかし、ステラレーターには大きな問題が 1 つあります。それは、トカマク缶のようにプラズマの熱を保持できないことです。特に、ステラレーターは、最もエネルギーの高い粒子をプラズマ内に閉じ込めることが困難です。核融合反応を維持するには、これらの粒子の多くを閉じ込める必要があります。さらに、失われるエネルギーの高い粒子が多いほど、デバイスの壁に損傷を与える可能性が高くなります。トカマクは軸を中心に対称的な形状をしているため、粒子を閉じ込めやすいため、この問題は発生しません。科学者は、ステラレーターが実用的な設計になる前に、この根本的な問題を解決する必要があります。
幸いなことに、PPPL の研究者は、この問題に対するいくつかの解決策を発見しました。彼らは、特定の磁場構成により、捕捉された粒子が閉じ込めを促進するような挙動を引き起こすことを知っていました。
さて、科学者は正しい磁場の形状を生成するために磁石を調整する方法を知る必要があります。理論的には、各磁場の中で各粒子がどのように動くかをシミュレーションするのが最良の解決策となります。ただし、これにはほぼ無制限の計算能力と時間が必要になります。これは現実的ではありません。
その代わりに、PPPLの研究者らは、オーバーン大学、ドイツのマックス・プランクプラズマ物理研究所、ウィスコンシン大学マディソン校の科学者らと協力し、必要な計算能力がはるかに少ない代替アプローチを使用した。彼らは、各粒子がどのように移動するかを予測するのではなく、粒子が磁場から離れる速度を予測する、計算が簡単な代理関数を開発しました。この数値は、磁場がプラズマを閉じ込める程度と一致します。この代理関数を使用することで、チームは高エネルギー粒子の損失が少なくなる、さまざまな可能なプラズマ構成を開発することができました。
他の科学者も以前にこの技術を使用したことがありますが、この特定のタイプのステラレーターに適用したことはありませんでした。このプロジェクトでは、米国エネルギー省のオークリッジ国立研究所と PPPL によって開発されたコードが使用されています。
これらの構成は特定のデバイス向けに設計されたものではありませんが、科学者が前進し、進むべき道を理解するのに役立ちます。このアプローチを使用すると、ステラレーター研究の進歩に役立つ可能性があります。最終的には、ステラレーターが商用核融合発電の実行可能な選択肢となる可能性がある。
/ScitechDaily から編集