未来のエネルギー源、ステラレータ

未来のエネルギー源、ステラレータ

ステラレータとは

ステラレータとは

ステラレータは、核融合反応を実現するために開発されている装置です。核融合反応とは、太陽のエネルギー源となっている反応で、軽い原子核同士が衝突して融合し、より重い原子核になる際に莫大なエネルギーを放出する現象です。この反応を起こすためには、一億度という超高温で燃料となるプラズマを閉じ込める必要があります。

ステラレータは、このプラズマ閉じ込めに強力な磁場を用いる「磁場閉じ込め方式」という方法を採用しています。プラズマは電気を帯びているため、磁力線の周りを螺旋状に動き、特定の形をした磁場の中に閉じ込めることができます。ステラレータは、この磁場を発生させるコイルを複雑にねじって配置することで、ドーナツ状のプラズマを安定して閉じ込めるように設計されています。

ステラレータは、他の磁場閉じ込め方式であるトカマク方式と比べて、定常運転が可能であるという利点があります。トカマク方式ではプラズマ電流を流す必要があるため、パルス運転しかできませんが、ステラレータは外部からの磁場のみでプラズマを閉じ込めるため、理論上は連続運転が可能です。これは、将来のエネルギー源として期待される核融合発電を実現する上で、大きなメリットとなります。

磁場の力

プラズマは、原子から電子が飛び出し、正の電気を帯びたイオンと負の電気を帯びた電子が混ざり合った状態のことを言います。このプラズマは電気を通す性質があり、磁石の力によって動きを制御できるという特徴を持っています。
ステラレータという装置は、このプラズマの性質を利用して核融合反応を起こそうとしています。ステラレータは、複雑な形の電磁石をドーナツ状に配置し、強力な磁場を作り出すことでプラズマを閉じ込めます。プラズマは磁力線の周りをらせん状に動き回るため、ドーナツ状の磁場の中に閉じ込められ、容器の壁に触れて冷えてしまうのを防ぎます。
ステラレータの特徴は、複雑な磁場配位によってプラズマを安定して閉じ込めることができる点にあります。しかし、複雑な構造であるがゆえに、設計や建設が非常に難しいという側面も持ち合わせています。それでも、ステラレータは核融合エネルギー実現に向けた有望な選択肢の一つとして、研究開発が進められています。

トカマクとの違い

– トカマクとの違い磁場閉じ込め方式を用いた核融合炉には、ステラレータ以外にもトカマクと呼ばれる方式が存在します。どちらも強力な磁場を使って超高温のプラズマを閉じ込めるという点では共通していますが、その磁場の発生方法に大きな違いがあります。トカマクは、プラズマ自身に電流を流すことで磁場を発生させるという特徴を持っています。プラズマは電気を通す性質があるため、大きな電流を流すことで強力な磁場を発生させることができます。しかし、この電流は不安定になりやすく、プラズマの崩壊を引き起こす可能性があります。これはトカマクの大きな課題の一つとなっています。一方、ステラレータはトカマクのようにプラズマ自身に電流を流す必要はありません。その代わりに、外部に設置された複雑な形状のコイルによって磁場を発生させることができます。コイルによって磁場を制御するため、プラズマは安定して閉じ込められます。これはステラレータの大きな利点と言えるでしょう。このように、ステラレータとトカマクは磁場の発生方法が大きく異なり、そのことがそれぞれの方式の利点と欠点に繋がっています。安定した運転が可能なステラレータは、将来の核融合発電の実現に向けて期待されています。

連続運転の可能性

– 連続運転の可能性核融合発電は、太陽がエネルギーを生み出す仕組みを地上で再現しようとする技術です。その実現に向けた研究では、高温のプラズマを閉じ込める装置として、トカマク型とステラレータ型という二つの方式が主に開発が進められています。トカマク型は、プラズマ中に電流を流すことで磁場を発生させ、プラズマを閉じ込める方式です。しかし、この電流は外部から供給し続ける必要があり、長時間維持することが困難です。そのため、トカマク型は原理的に断続的な運転しかできません。一方、ステラレータ型は、複雑にねじれたコイルを用いることで磁場を発生させ、プラズマを閉じ込めます。この方式では、外部から電流を流す必要がないため、原理的に連続運転が可能となります。発電所は、社会に安定的に電力を供給することが求められます。そのため、断続的な運転しかできないトカマク型よりも、連続運転が可能なステラレータ型の方が、発電所としてより適していると言えるでしょう。もちろん、ステラレータ型にも技術的な課題はあります。複雑な形状のコイルの製作や、プラズマの閉じ込め性能の向上など、克服すべき点は少なくありません。しかし、将来、核融合発電が実用化される際には、連続運転という大きな利点を持つステラレータ型が、重要な役割を担う可能性は高いと言えるでしょう。

技術的課題と展望

– 技術的課題と展望ステラレータは、核融合反応を起こす装置として理想的な特性を持つ一方で、その実現には高い技術力が求められます。とりわけ、プラズマを閉じ込めるために必要な、複雑な磁場を作り出すことは容易ではありません。ステラレータの心臓部と言えるのが、ねじれた形状をしたコイルです。この複雑な形状のコイルによってのみ、プラズマを安定して閉じ込めるために必要な磁場を作り出すことができます。 従来の技術では、高精度なコイルの設計・製作は非常に困難な作業でした。しかし、近年におけるコンピューター技術の進歩は、ステラレータ開発に革新をもたらしました。 高性能なコンピューターを用いたシミュレーションによって、複雑な磁場構造を詳細に解析することが可能となり、より最適なコイル形状を設計できるようになったのです。さらに、３Dプリンターなどの最新加工技術の進展も、複雑な形状のコイル製作を現実のものへと近づけています。材料科学の分野でも、ステラレータの実現に向けた大きな進歩が見られます。 超伝導材料の開発により、従来よりも強力な磁場を生成することが可能になりつつあります。また、プラズマに耐えうる、より耐久性の高い材料の開発も進んでいます。これらの技術革新は、ステラレータの実用化に向けた大きな前進です。近い将来、ステラレータがエネルギー問題解決の切り札として、世界に貢献することが期待されています。