夢のエネルギー：臨界プラズマ

夢のエネルギー：臨界プラズマ

核融合の夢

人類は長年、太陽の輝きにも似た無限のエネルギーを夢見てきました。その夢を叶える鍵として期待されているのが核融合エネルギーです。太陽の内部では、水素原子核同士が融合してヘリウムになる核融合反応によって莫大なエネルギーが生まれています。この反応を地上で人工的に再現できれば、理論上は枯渇の心配がないエネルギー源を手に入れることができます。

しかし、核融合エネルギーの実現は容易ではありません。太陽の中心部は１億度を超える超高温・超高圧の状態です。このような環境下ではじめて、水素原子核は互いに反発しあう力を乗り越えて融合することができるのです。地上で核融合反応を起こすためには、太陽の中心部に匹敵する超高温・高密度状態を人工的に作り出す必要があります。これは非常に高度な技術であり、多くの課題が残されています。そのため、核融合エネルギーの実現は長年「夢のエネルギー」と表現されてきました。しかし、現在では技術の進歩により、核融合エネルギーは夢物語ではなく、実現可能な未来のエネルギー源として期待されています。

臨界プラズマとは

– 臨界プラズマとは

臨界プラズマとは、核融合反応を維持するために必要となる条件を満たしたプラズマの状態のことを指します。

物質は、温度が上昇すると固体から液体、液体から気体へと状態を変化させていきます。
そして、さらに高温になると、原子を構成している原子核と電子がバラバラになった状態になります。
この状態こそがプラズマと呼ばれるものであり、太陽をはじめとする恒星の内部もこのプラズマで構成されています。

プラズマは、人工的に超高温状態を作り出すことで発生させることができます。
そして、このプラズマ中の原子核同士が衝突し、融合することで膨大なエネルギーを発生させる核融合反応を起こすことができます。

臨界プラズマは、この核融合反応が連続して起こり、外部からエネルギーを供給しなくても反応が持続する状態を指します。
これは、核融合反応によって生じるエネルギーが、プラズマの温度や密度を維持するのに十分なレベルに達していることを意味します。

臨界プラズマの状態を達成し、維持することが、核融合エネルギーの実用化には欠かせない課題となっています。

プラズマの三条件

プラズマを fusion reactor で利用するには、「超高温」「高密度」「閉じ込め時間」という三つの条件を満たす必要があります。

まず、「超高温」について説明します。原子核はプラスの電荷を持っているので、近づくと反発し合います。原子核同士を融合させるためには、この反発力に打ち勝って近づける必要があるのです。そのためには、原子核を非常に速い速度で運動させる必要があり、1億度という太陽の内部にも匹敵する超高温状態が求められます。

次に、「高密度」について説明します。原子核同士の衝突確率を上げるためには、プラズマ中の原子核の密度を高める必要があります。密度が高いほど、原子核同士が衝突する確率が高くなり、核融合反応が効率的に起こります。具体的には、1立方メートルあたり100兆個という高密度状態が求められます。

最後に、「閉じ込め時間」について説明します。これは、高温高密度のプラズマ状態を、反応が持続するのに十分な時間、保持する必要があることを指します。この時間は1秒間とされています。

これらの三つの条件を満たすことで、はじめてプラズマを使ったエネルギーによる発電が可能になります。

ローソン条件

– ローソン条件核融合反応を起こしてエネルギーを取り出すためには、まず原子核同士が衝突するのに十分な高温高密度のプラズマ状態を作り出す必要があります。しかし、プラズマは高温であるため、すぐに冷えてしまい、密度も低下してしまいます。そのため、プラズマを一定時間以上保持する必要があります。このプラズマの温度、密度、閉じ込め時間の関係を示したものが「ローソン条件」です。イギリスの物理学者ジョン・ローソンによって提唱されたこの条件は、核融合反応で発生するエネルギーがプラズマの維持に必要なエネルギーを上回るために必要な、プラズマのパラメータに関する条件を示したものです。具体的には、プラズマの温度、密度、閉じ込め時間の積がある一定値を超える必要があります。温度が高いほど原子核の運動エネルギーが大きくなり、衝突する確率が高くなります。また、密度が高いほど原子核同士の距離が近くなり、衝突する確率が高くなります。さらに、閉じ込め時間が長いほど、プラズマが高温高密度な状態を長く保つことができ、核融合反応が持続的に起こりやすくなります。ローソン条件を満たすことで、核融合反応は点火状態となり、外部からのエネルギー供給なしにプラズマが自己加熱され、持続的なエネルギー発生が可能になります。これは、核融合発電を実現する上で非常に重要な条件であり、現在も世界中の研究機関で、ローソン条件を達成するための研究開発が進められています。

研究の進展と未来

– 研究の進展と未来核融合発電は、太陽がエネルギーを生み出す仕組みと同じ原理を利用した、究極のエネルギー源として期待されています。その実現には、高温高密度のプラズマを長時間閉じ込める必要があるのですが、これは非常に困難な技術的課題を伴います。しかしながら、日本原子力研究所が開発したJT-60や、欧州連合のJETといった実験装置では、すでに1980年代後半に核融合反応の開始条件であるローソン条件を達成することに成功しています。これは、核融合発電の実現に向けた大きな一歩と言えるでしょう。ただし、これらの実験ではプラズマの保持時間が短く、持続的なエネルギー発生には至っていません。そこで現在、国際協力によってフランスに建設中のITER（国際熱核融合実験炉）では、より大規模かつ高性能な装置を用いることで、核融合反応が持続可能な状態である臨界プラズマの達成と、それを超える長時間持続運転を目指しています。ITER計画は、日本を含む世界35カ国が参加する巨大プロジェクトであり、核融合発電の実現に向けた重要なマイルストーンとなるでしょう。夢のエネルギー実現に向けて、研究開発は着実に進展を続けているのです。