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May 09, 2023

核融合エネルギーの進歩: 研究者が記録を達成

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ピーター・ハンセン/iStock

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核融合反応は大量のエネルギーを生成します。 核融合の例は、太陽の核で起こる反応です。 核融合エネルギーの利用は、温室効果ガスの排出や長寿命の放射性廃棄物を発生しないため、科学者や研究者の長年の目標でした。

しかし、核融合エネルギーの生成には、高温と高圧の要件、プラズマの不安定性、コスト、拡張性、エネルギーバランスの確保など、いくつかのボトルネックがあります。

これらの課題にもかかわらず、核融合エネルギー研究は大幅に進歩しました。

トカマクは磁気閉じ込め核融合に使用される装置です。 これらの反応では、炉心内の核融合燃料の高温プラズマを制御し閉じ込めるために強力な磁場が使用されます。 プラズマは、中性ビーム入射または高周波加熱を使用して高温に加熱されます。 主な目標は、核融合反応が継続的に起こり、無限のエネルギー源を提供できる安定したプラズマ状態を維持することです。

オークリッジ国立研究所 (ORNL)、プリンストン プラズマ物理研究所 (PPPL)、およびトカマク エナジー社の研究者による最近の研究では、核融合エネルギー研究における重要な進歩が示されています。 研究チームは、核融合発電所が商用エネルギーを生成するために必要な摂氏1億度近くの温度を達成した。

さらに、コンパクトなトカマクで高温を達成しましたが、これはこれまでに達成されていませんでした。

この研究では、研究者らは、ST40と呼ばれる高磁場球状トカマク（ST）装置の動作条件を改良することに焦点を当てた。 他の核融合装置と比較して、ST40 装置はその小型さと球形のプラズマにより際立っています。

研究チームは、1000万ワットを超える核融合電力を生成した1990年代のTFTRトカマクと同様のアプローチを使用した。 ST40 は、2 テスラをわずかに超える値のトロイダル (ドーナツ型) 磁場で動作しました。

研究チームはプラズマを加熱するために180万ワットの高エネルギー中性粒子を使用した。 プラズマ放電、つまり核融合反応が活発に起こっている時間はわずか0.15秒だったが、核内のイオン温度は摂氏1億度以上に達した。

研究チームは、PPPL で開発された TRANSP 輸送コードを使用してイオン温度を測定しました。 このコードは、核融合炉で使用される主燃料である不純物と重水素の測定された温度プロファイルを考慮に入れているため役立ちます。

彼らは、不純物の温度範囲が 8.6 keV (摂氏約 1 億度) より高いのに対し、重水素の温度範囲はその値付近であることを発見しました。 この発見は、実験で使用された加熱方法が所望の高温を効果的に達成したことを示唆しています。

この結果は、コンパクトな高磁場球状トカマクに基づく核融合発電所の将来の開発に楽観的な見通しを与えるものである。 これらの進歩は、より効率的で経済的に実行可能な核融合エネルギーソリューションにつながり、持続可能でクリーンなエネルギー生成への有望な道を提供する可能性があります。

この研究はNuclear Fusion誌に掲載された。

研究概要:

ST40 コンパクト高磁場球状トカマク (ST) では、1 億ケルビン (8.6 keV) を超える温度のイオンが生成されました。 5 keVを超えるイオン温度は、これまでどのSTでも達成されたことがなく、実質的により大きなプラズマ加熱パワーを備えた、より大型のデバイスでのみ得られました。 対応する融合三重積は、ni0Ti0τE ≈6±2 x 1018 m-3 keVs と計算されます。 これらの結果は、商用磁気閉じ込め核融合に関連するイオン温度がコンパクトな高磁場STで得られること、そして高磁場STに基づく核融合発電所にとって良い前兆であることを初めて実証した。