核融合の燃料は、保管しているだけで減っていく

100グラムのトリチウムを、使わずに取っておく。漏れも補充もないのに、10年後に残るのは約57グラムだ。重水素と組み合わせて使う核融合燃料の一つで、発電所がまだ動いていなくても、この減少は進む。燃料を早めに確保するのは自然な判断だが、早く手に入れるほど待つ時間も長くなる。最初の運転に使う燃料は、いつ用意すればよいのだろうか。

トリチウムは水素の放射性同位体である。ITER機構が示す半減期は約12.3年。保管中も原子核が壊変し、ヘリウム3へ変わっていく。容器から漏れ出さなくても、燃料として使えるトリチウムの数が減る。

半減期12.3年を使い、補充・取り出し・漏えいがないと仮定して計算すると、100グラムは1年後に94.5グラム、5年後に75.4グラム、10年後に56.9グラムになる。計算式は100×2の「−年数÷12.3」乗。これは残存するトリチウムの量で、容器全体の重量の変化を表すものではない。

だからといって、燃料をそのまま気体で置いておくだけではない。ITER機構が2013年に紹介した韓国の試験設備では、水素・重水素を用いて金属に取り込ませる貯蔵技術を調べていた。金属の温度を変えて吸収と放出を制御する。見出し写真は、この試験のためのグローブボックスである。

燃料を閉じ込める仕事は、貯蔵容器の外にも続く。ITERでは、設備から回収した水に含まれるトリチウムを取り除く水処理系を整備する。2016年に据え付けた容量20立方メートルのタンクも、その一部だ。保管中の壊変と設備からの漏えいは別の問題であり、両方を考えた管理が要る。

実験装置では、反応しなかった燃料を排気系で取り出し、処理して再利用する。欧州が製作したITERのクライオポンプも、この燃料循環に関わる機器だ。回収を繰り返しても、トリチウム自体の壊変が止まるわけではない。

米エネルギー省は、重水素が海水中に広く存在する一方、トリチウムは自然界に少なく、将来の発電所には安定した供給網が必要だと説明する。リチウムに中性子を当ててトリチウムをつくる技術は、その供給を支える候補である。発電所規模で燃料を生み、回収し、使い続ける仕組みには研究課題が残る。

ITERのトリチウム建屋には、燃料の貯蔵・処理・再利用のための設備が入る。F4Eは2024年2月に土木工事完了を報告した。建屋の完成と燃料系の稼働は、それぞれ確かめるべき工程だ。

FIが注目するのは、燃料の調達時期と運転開始時期を一緒に考える必要がある点である。供給不足に備えて先に確保すれば、待つ間にも量は減る。運転直前まで待てば、その時に調達できるかという問題が残る。上の計算では、5年間待つだけで約4分の1がトリチウムではなくなる。原子の時計は、建設工程の都合を待ってくれない。

ITERが実験で確かめること