1億度なのに、なぜ容器は全部溶けない？ 温度・熱量・熱流束を分けて考える

核融合のニュースには「1億度」という、日常では想像しにくい温度が登場する。そんなものを金属の容器に入れたら、装置ごと溶けてしまうのではないか。

答えは、1億度に耐える特別な箱があるからではない。高温にする燃料の量を小さくし、中心のプラズマを磁場で壁から離し、外へ出てくる熱を受け止めて運び出す。これらを組み合わせて成立させている。ここではトカマクやステラレータなど、磁場で閉じ込める方式を考えよう。レーザーで燃料を瞬間的に圧縮する方式とは、容器との関係が異なる。ITERの基礎解説

まず大切なのは、「プラズマの中心が1億度」と「容器の内壁が1億度」を分けることだ。燃料は電子と原子核に分かれたプラズマになっており、その粒子の運動を温度で表す。中心から周辺へ温度は変化し、電子とイオンの温度が同じとは限らない。ニュースの最高温度だけで、装置全体の状態を想像することはできない。IPPのプラズマ解説／電子とイオンの加熱

同じ温度のお湯でも、スプーン一杯と浴槽一杯では、冷めるまでに周囲へ渡せるエネルギーが違う。温度だけでなく、どれだけの物質があるかが効くためだ。

熱的な粒子集団では、温度は一粒子あたりの平均的な運動エネルギーの目安になる。一方、プラズマ全体に蓄えられた熱運動のエネルギーは、粒子の数にも左右される。磁場閉じ込め核融合の燃料は日常の空気より非常に希薄なので、「1億度の金属の塊」を容器へ入れる場面とは大きく違う。温度と粒子運動の関係／希薄な核融合プラズマ

厳密には、物体が「熱を持っている」と言うより、内部エネルギーがあり、温度差によって移るエネルギーを熱と呼ぶ。この記事で区別したいのは、温度、プラズマの蓄積エネルギー、壁へ移る熱量の三つである。熱と内部エネルギーの定義

ただし、希薄なら壁を心配しなくてよいわけではない。粒子は大きなエネルギーを持ち、加熱装置や核融合反応からエネルギーが供給され続ける。ある瞬間の蓄積量が比較的小さくても、運転中に通過する総エネルギーは増える。IPPもW7-Xの説明で、プラズマのエネルギー内容と、加熱出力に運転時間を掛けたエネルギー投入量を明確に区別している。IPPの説明

電荷を持つ電子やイオンは、磁場中で曲がりながら運動する。この性質を利用して、燃料を真空容器の内側に閉じ込める。磁場は硬い壁ではなく、粒子の進み方を制御する仕組みだ。粒子は磁力線に沿って動けるため、単に強い磁石を置くだけでなく、磁場の形を整える必要がある。IPPの磁場閉じ込め解説

壁から離すことには、装置を守るだけでなく、プラズマを冷やさない意味もある。高温の中心部が壁に強く触れれば、粒子のエネルギーが壁へ逃げ、プラズマの温度は急速に下がる。壁表面の損傷や、壁から出た物質がプラズマへ混じる問題にもつながる。「壁に触れないようにする」は、燃料を高温に保つための条件でもある。

実際には、中心部と、粒子や熱を外へ導く周辺部を分けて扱う。ドイツのASDEX Upgradeでは、磁場でプラズマ周辺を下部のダイバータへ導き、熱と粒子を受け止める研究が行われている。掲載写真の明るい発光を、そのまま1億度の場所を示す温度地図と読むことはできない。ASDEX Upgradeの周辺部研究

もう一つの物差しが「熱流束」だ。単位面積へ、毎秒どれだけの熱が届くかを表し、単位はW/m²になる。プラズマが何度かという問いとは違い、壁が受ける負担を考えるための量である。

例えば、1MWの熱が1m²へ一様に届けば、熱流束は1MW/m²。同じ1MWが0.1m²に集中すれば10MW/m²になる。これは仕組みを説明する仮定の計算で、特定の装置の測定値ではない。同じ出力でも、受け止める面積によって局所の条件は変わる。

時間も重要だ。1MWは毎秒1MJのエネルギー移動を意味するので、10秒続けば10MJになる。「MJで示す量」と「MWで示す速さ」は交換できる数字ではない。短い時間に熱が集中する現象では、平均の出力だけでは見えない厳しさがある。WとJの関係

実機の例では、ITERはダイバータの垂直ターゲットが受ける熱流束を、定常状態で10MW/m²、比較的ゆっくりした過渡状態で20MW/m²と見込む。これはITERの設計上の条件であり、あらゆる核融合装置の壁が一様に受ける値ではない。ITERのダイバータ説明

熱に強い材料を選んでも、入ってくるエネルギーをいつまでも内部にため続けることはできない。長く運転するには、表面から内部へ熱を伝え、冷却水などに渡し、装置の外へ運ぶ経路が要る。

その具体例が、ドイツのステラレータWendelstein 7-X（W7-X）の水冷ダイバータだ。IPPが2020年に紹介した構造では、炭素繊維強化炭素の耐熱部を、冷却される銅・クロム・ジルコニウム合金の部材と組み合わせる。写真の手前はダイバータの要素、奥は複数の要素を組み合わせた1枚の熱試験後の試作プレートである。「材料が何度で溶けるか」だけではなく、熱が流れる構造全体を試す必要がある。W7-Xの水冷構造

裏側の写真を見ると、その意味が分かりやすい。表面の黒い耐熱材とは異なり、多数の金属管が並ぶ。これらが冷却流路へ水を送り、受け取った熱を運び出す。長時間運転を目指したW7-Xの改修では、壁に向き合う部品の冷却が重要な役割を担った。これは商用発電所の運転実績ではなく、研究装置で高温プラズマを長く扱うための技術である。2022年の改修説明

磁場閉じ込めは、熱をすべて遮る魔法の膜ではない。プラズマから出る光やX線などの放射は、荷電粒子のようには閉じ込められない。重水素と三重水素の核融合では、電荷を持たない中性子も磁場の外へ出て、周囲の材料へエネルギーを渡す。将来の発電炉では、そのエネルギーを熱として取り出すと同時に、材料への影響を管理する。IPPの発電炉の仕組み／DOEの核融合工学解説

また、閉じ込めが乱れれば、蓄積エネルギーが短時間に壁側へ流れることがある。安定した運転時の排熱だけでなく、急な変化への対策も必要だ。IPPの熱排出研究

図の橙色の波線は放射、紫色の球は中性子で、別々のエネルギーの運び手を示す。中性子の経路は重水素・三重水素反応の場合を表している。

容器が丸ごと1億度にならない理由は、温度とエネルギー量が違い、中心部を壁から離し、壁に届く熱を制御して冷却しているからだ。それでも局所的な過熱や損傷の課題は残る。

次に「1億度を達成」というニュースを読んだら、何の温度か、どれだけの粒子をどれほど長く保ったか、外へ流れた熱をどう処理したかも見てみたい。高温をつくる技術と、温度の低い周囲へ熱を渡す技術。その両方が、核融合を使えるエネルギーに近づけていく。