核融合を実現する熱源：ジュール加熱

核融合を実現する熱源：ジュール加熱

核融合とプラズマ加熱

太陽が輝き続けるエネルギーの源である核融合は、地球のエネルギー問題を解決する可能性を秘めた夢の技術として期待されています。核融合を起こすためには、燃料となる原子核同士が非常に高いエネルギーで衝突し、融合する必要があります。しかし、原子核はプラスの電気を帯びているため、互いに反発し合い、容易には近づけません。そこで、物質を非常に高い温度に加熱し、原子核と電子がバラバラになったプラズマ状態を作り出すことが重要となります。
プラズマは固体、液体、気体に続く物質の第４の状態であり、高温で原子核が自由に動き回る状態を指します。このプラズマ状態を実現し、維持するためには、様々な方法でプラズマを加熱する必要があります。
プラズマ加熱の方法の一つに、ジュール加熱があります。ジュール加熱は、プラズマに電流を流し、電気抵抗によってプラズマを加熱する方法です。電気抵抗とは、物質に電流を流した際に、電流の流れを妨げる性質のことです。ジュール加熱は、比較的シンプルな方法でプラズマを加熱できるため、広く利用されています。
核融合の実現には、プラズマを高温で長時間維持することが不可欠です。ジュール加熱以外にも、高周波加熱や中性粒子ビーム入射加熱など、様々な加熱方法が開発され、より効率的なプラズマ加熱を目指した研究が進められています。

身近な現象ジュール熱

私たちの身の回りで起こる、電気を使った際に発生する熱現象。それがジュール熱です。電気は目に見えませんが、電気を流すと熱が出ることを実感できる身近な現象の一つと言えるでしょう。

例えば、夜を明るく照らす電球。電球の中にはフィラメントと呼ばれる細い線が含まれており、この線に電気を流すと光とともに熱が発生します。これはフィラメントが電気の流れを多少妨げる性質、すなわち電気抵抗を持っているためです。電気抵抗があると、電気が流れにくくなり、その際に発生する熱が光として放出されるのです。

また、寒い冬に部屋を暖める電気ストーブや、毎日おいしいご飯を炊く電気炊飯器なども、このジュール熱を利用しています。これらの電化製品には、ニクロム線と呼ばれる熱に強く、電気抵抗の大きい金属が使われています。ニクロム線に電気を流すと、その抵抗によって熱が発生し、ストーブであれば部屋を暖め、炊飯器であればお米を炊きあげます。

このように、ジュール熱は私たちの生活に欠かせない電化製品の多くに利用されています。電気エネルギーが熱エネルギーに変換されることで、私たちの生活はより快適で便利な方向へと進歩していると言えるでしょう。

トカマク型核融合装置における加熱

– トカマク型核融合装置における加熱

トカマク型核融合装置は、高温高密度のプラズマをドーナツ状の真空容器内に磁場で閉じ込めて保持し、核融合反応を起こすことを目指す装置です。核融合反応を起こすためには、燃料である重水素や三重水素の原子核がクーロン力を乗り越えて衝突するのに十分なエネルギー、すなわち高温状態を実現する必要があります。トカマク型核融合装置では、プラズマを数千万度、あるいは１億度以上の超高温まで加熱する必要があり、そのために様々な加熱方式が用いられています。

その中でも、ジュール加熱は比較的簡易な方法であり、加熱の初期段階において重要な役割を担っています。ジュール加熱は、プラズマ自身の持つ電気抵抗を利用した加熱方法です。トカマク型核融合装置内のプラズマは電気を流すことができるため、プラズマを電気回路の一部と見なすことができます。そして、外部から電流を流すと、電気抵抗によってプラズマ中に熱が発生します。これは、電流が抵抗に流れると熱が発生する現象と同じ原理です。

ジュール加熱は、プラズマの温度を比較的容易に上昇させることができるという利点があります。しかし、プラズマの温度が高くなるにつれて電気抵抗が低下するため、ジュール加熱だけで超高温状態を実現することは困難です。そこで、トカマク型核融合装置では、ジュール加熱に加えて、高周波加熱や中性粒子ビーム入射加熱などの加熱方法を組み合わせることで、より高温のプラズマ生成を目指しています。

ジュール加熱の限界

– ジュール加熱の限界ジュール加熱は、プラズマに電流を流し、電気抵抗によって直接加熱する方法です。簡便で有効な加熱方法として知られていますが、プラズマの温度上昇に伴い電気抵抗が低下するという性質があります。これは、温度が上昇するとプラズマ中の電子とイオンの衝突頻度が減少し、電流の流れを妨げる抵抗が小さくなるためです。このため、ジュール加熱はプラズマをある程度の温度まで加熱するのには有効ですが、高温になるほど加熱効率が悪くなるという欠点があります。 つまり、同じ電流を流し続けても、温度が上がるにつれてプラズマへのエネルギー伝達効率が低下し、加熱効果が弱くなってしまうのです。そのため、核融合反応に必要な非常に高温で高密度のプラズマ状態を作り出すためには、ジュール加熱である程度の温度まで上昇させた後、他の加熱方法と併用することが必要となります。 例えば、外部から電磁波を照射してプラズマを加熱する高周波加熱や、高速の中性粒子ビームを入射してプラズマ中の粒子と衝突させることでエネルギーを与える中性粒子ビーム入射加熱などが挙げられます。これらの加熱方法を組み合わせることで、ジュール加熱の限界を超えてプラズマの温度と密度を向上させ、核融合反応の発生条件に近づけることが可能となります。