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米国エネルギー省が「次世代の核融合炉」を建設するための材料をテスト中

アメリカの物理学者チームが、今後数年間、クリーンで費用対効果の高いカーボンフリーのエネルギーを生成することを目的として、世界の次世代核融合炉の建設のための新たな材料テストを行っていることを発表した。

サンディア国立研究所の科学者たちは、現在DIII-D国立核融合施設(NFF)で、将来の核融合炉の建設に使用することに最適な材料のテストに携わっているとのことだ。

1980年代から稼働しているDIII-Dは、米国エネルギー省のトカマク型核融合試験炉で、サンディエゴのGeneral Atomicsが運営している。DIII-I NFFでは、磁場閉じ込めによって核融合反応を実現するトカマク型を、核融合エネルギーの生産に最適化するための取り組みが数十年にわたり続けられている。

DIII-I炉のトカマク型は、磁場閉じ込めによってプラズマを形成するため、膨大な量の熱と粒子の運動が発生し、原子炉の壁を摩耗させるという、この種の施設では最大のものだ。そのため、原子炉の壁が摩耗し、炉心プラズマを汚染し、安定した核融合反応を阻害する可能性があるため、原子炉の損傷だけでなく、炉心プラズマの汚染も懸念される。

「磁場閉じ込め核融合装置は、非常に強い磁場を用いてプラズマを生成し、閉じ込めるので、これらのイオンと電子はすべて相互作用して核融合エネルギーを生成します。そうすると、必然的に、プラズマからの排気が容器の壁に衝突することになります。」と、DIII-I施設での試験に関わったサンディア国立研究所の科学者、Jonathan Coburn氏は述べ、プラズマから逃げるイオンと電子が他の物質とどう作用するかの理解がプロセスの基本であることも付け加えた。

現在、Coburn氏とこの研究に携わる科学者たちは、原子炉のプラズマと直接接触する部分に使用される材料のサンプルの損傷量、ガス保持量、再結晶を評価することを目的とした物理的および計算機的試験を含む実験を行っているところである。このような材料には、炭素、ベリリウム、タングステンなどがあり、原子炉内の極限状態にさらされたときの材料反応はそれぞれ微妙に異なる。

昨年末、米国エネルギー省(DOE)の国立点火施設(NIF)の科学者たちは、2022年8月に行われた実験で、反応で消費される量以上のエネルギーを生み出すことに成功したと報告している

Jennifer M. Granholm米エネルギー長官は、実験成功を「核融合点火の実現にキャリアを捧げてきた国立点火施設の研究者とスタッフにとって画期的な成果であり、このマイルストーンがさらなる発見のきっかけとなることは間違いない」と述べていた。

ローレンス・リバモア国立研究所のNIFは、DIII-Dトカマクの磁場閉じ込め方式とは異なり、レーザーシステムを使って水素燃料の入った小さなペレットを照射し、核融合を実現するものである。

世界の他の地域でも、トカマク型核融合炉を制御する方法が模索されており、特にフランスで現在建設中のITERトカマクはその代表格である。ITERはこれまでで最大のトカマクで、50MW(メガワット)のエネルギー入力に対し、500MWもの発電量を生み出すことができる。

Coburn氏は、DIII-Iとその設計がITERの開発において重要な役割を果たしたと言う。

「DOEのためにこのようなハイレベルで利害関係の強い実験を行う機会を得ることができるのはかなり刺激的です。」とCoburn氏はプレスリリースで述べ、今後数年間で核融合エネルギー科学の発展に大きな役割を果たすことになるだろうと述べている。


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