核融合の科学
温度・密度・閉じ込め、安定性、エネルギー利得をつなげると、実験成果が何を意味するのかが見えてきます。
高温が必要な理由と、温度だけでは足りない理由
原子核は正の電荷を持ち、近づくと電気的に反発します。高温では粒子の運動が活発になり、核融合が起きる確率を高められます。ただし原子核は硬い球ではなく、量子力学的なトンネル効果も反応に重要です。「一定の温度で全粒子が壁を飛び越える」という説明では正確ではありません。
温度は粒子の運動エネルギーの分布を表す量です。電子温度とイオン温度が同じとは限らず、中心の最高値とプラズマ全体の平均値も異なります。反応するのは原子核なので、電子温度だけの記録をそのまま核融合反応率の記録として扱わないことが大切です。
出典：ITER｜What is fusion? ／ DOE｜Quantum in the Palm of Your Hand ／ ITER｜Diagnostics ／
ローソン条件は、熱の収支を考える入口
反応を十分に起こしながら熱の損失を抑えるには、温度、粒子密度、エネルギー閉じ込め時間を組み合わせて考えます。三重積は一般に nTτE と書き、n は密度、T は温度、τE はエネルギー閉じ込め時間です。温度をkeV、密度をm⁻³、時間を秒で表す場合、積の単位はkeV・s・m⁻³になります。
τEは放電を続けた総時間ではなく、プラズマに蓄えた熱エネルギーと損失の関係を表します。長く運転できる装置でも、熱が速く逃げていれば十分な閉じ込めとは限りません。また必要な条件は燃料や温度、目標とする利得、損失の仮定で変わります。ある三重積の数字を、あらゆる方式で同じ発電達成ラインとして使うことはできません。
安定性と輸送は、熱を保つための研究
磁場で囲っても、プラズマは静止した物体にはなりません。小さな変化が大きく育つ不安定性や、粒子・熱の移動が閉じ込めを左右します。大きな崩れを避けることと、細かな熱損失を減らすことは、関連しながらも異なる課題です。
実験では磁場、温度、密度、放射、粒子の流れなどを複数の診断方法で測り、理論や計算と照合します。計測は記録を残すためだけでなく、加熱や燃料供給を調節する制御の入口でもあります。単独の最高値より、条件を再現できるか、制御に使える理解が得られたかが重要になる場面もあります。
利得の境界線を引く
磁場閉じ込めで使われるプラズマ利得Qは、核融合出力を外部からのプラズマ加熱入力で割った指標です。ITERの設計目標Q=10は、加熱50MWに対して核融合500MWという意味であり、設備が電気を10倍に増やして返すという意味ではありません。これは目標であって達成済みの値ではありません。
レーザー核融合の標的利得では、標的からの核融合エネルギーと標的へ届いたレーザーエネルギーを比較します。レーザーを駆動する電力や冷却などは、その外側にあります。最終的な発電所評価では発電機の出力から所内消費を差し引き、保守停止も含む運転期間で見ます。異なる境界のQを同じランキングへ並べず、まず分子・分母・単位・時間を明記しましょう。
出典：ITER｜What will ITER do? ／ LLNL｜Achieving Fusion Ignition ／ LLNL｜Electromagnetics ／
誤解しやすい点
- エネルギー閉じ込め時間は、プラズマの運転継続時間そのものではありません。
- Q>1だけでは、設備全体の正味発電を示しません。