燃料と核融合反応

DとTは、水素の仲間

重水素DとトリチウムTは水素の同位体です。陽子が一つという共通点を持ち、中性子の数が異なります。D-T反応ではヘリウム4の原子核と中性子が生じ、代表値で合計17.6MeVのエネルギーを放出します。MeVは一回の反応などの粒子スケールで使うエネルギーの単位であり、設備の出力MWとは別です。

D-Tは他の有力候補より比較的低いイオン温度で大きな反応率を得やすいため、多くの開発で選ばれています。しかし中性子が大きなエネルギーを持つので、熱回収と同時に材料の損傷・放射化への対策が必要になります。燃料として有利な点が、そのまま発電所のすべての機能で有利という意味ではありません。

出典：DOE｜Deuterium-Tritium Fusion Fuel ／ Felix I. Parra／PPPL SULI 2023｜Introduction to Fusion Energy ／

ほかの燃料では何が変わるのか

D-D反応には、トリチウムと陽子を生む経路、ヘリウム3と中性子を生む経路があります。重水素だけを供給する場合でも、中性子やトリチウムの扱いを省けるわけではありません。D-³Heの主反応はヘリウム4と陽子を生みますが、重水素どうしの副反応が起こり得ます。主反応式に中性子がないことと、装置から中性子が一切出ないことは違います。

p-¹¹Bは陽子とホウ素11を反応させ、主に三つのヘリウム4原子核を生む候補です。こうした候補は中性子負荷を減らせる可能性がある一方、反応率を得る温度やエネルギー損失など、D-Tとは違う難所があります。燃料名だけで「放射線ゼロ」「安価な発電が確定」と判断せず、対象反応、実験条件、生成物、設備全体の設計を確認します。

出典：Felix I. Parra／PPPL SULI 2023｜Introduction to Fusion Energy ／ X. Steve Xiao／PPPL SULI 2020｜Closing the fuel cycle ／ DOE｜Deuterium-Tritium Fusion Fuel ／

トリチウムは、調達して終わる燃料ではない

重水素は水から取り出せますが、トリチウムは放射性で、自然に大量に存在する資源ではありません。D-T発電所の多くの構想では、核融合で生じた中性子をリチウムに作用させ、トリチウムをつくる「増殖」を組み込みます。これはプラズマの中で燃え残った燃料を回収する工程とは別です。

増殖した量が消費量を上回ればよい、という単純な箱だけでは設計できません。生成したトリチウムを取り出す時間、処理中の在庫、材料への保持、漏えい防止、運転開始時の燃料なども考える必要があります。ブランケットの試験で一部の性能が確認されても、発電所全体の燃料自立が実証されたとは限りません。

出典：ITER｜Fuelling ／ ITER｜Tritium breeding ／ X. Steve Xiao／PPPL SULI 2020｜Closing the fuel cycle ／

燃料サイクルを、流れで理解する

燃料は供給装置からプラズマへ入り、反応しなかった分がヘリウム灰や不純物とともに排出されます。排気から必要な同位体を回収・精製し、組成を整えて再び供給します。炉の周囲で増殖したトリチウムも、この供給側へ合流する構想です。燃料サイクルは、この複数の流れを安全に閉じる仕組みです。

企業の技術を調べるときも、「燃料を扱う会社」でひとまとめにせず、貯蔵、計量、分離、精製、注入、回収、透過防止などの担当工程に分けると役割が明確になります。実験室での分離性能、統合した循環運転、商用規模での安定供給は別の実証段階です。まず装置の流れを理解してから、企業・プロジェクトの実績へ進みましょう。

出典：ITER｜Fuelling ／ X. Steve Xiao／PPPL SULI 2020｜Closing the fuel cycle ／

誤解しやすい点

• D-D燃料でも、中性子やトリチウムが生じる反応経路があります。
• 「主反応に中性子がない」は「設備全体の放射線対策が不要」ではありません。