2050年の韓国、人工太陽は燃え尽きる？ [한세희 테크&라이프]

Posted On: 3月 26, 2023

大田市儒城区乙雲洞にある韓国核融合エネルギー研究所に設置された「超電導核融合研究施設」(KSTAR)。 [사진 한국핵융합에너지연구원]

[한세희 IT 칼럼니스트] この度、政府は核融合発電を実現するための発電実証炉の基本構想を決定・発表しました。聞き慣れない言葉ですが、究極的には、将来建設される核融合炉実証プラントの性能や構造が設計されたということです。このプロジェクトによると、2035年までに実証炉の設計が実現する予定です。すべてのプロセスが順調に進めば、2050年には「夢のエネルギー」と呼ばれる核融合発電が稼働する見込みです。

太陽を模した核融合発電

太陽はその中の水素原子を融合させ、莫大なエネルギーを生み出します。水素などの軽い原子が別のプラズマ状態で原子核とイオンに融合して重い原子核になると、質量が減少し、質量が減少した分だけエネルギーが発生します。太陽の内部は非常に高温・高圧の環境であるため、プラズマ状態のまま物質同士が衝突し、核融合が起こります。太陽の原理を真似ることができれば、人類のエネルギーに関する心配事のほとんどを軽減することができます。核融合発電は、太陽から地球に電力を生み出す過程を再現することを目指しています。人工の太陽を作るようなものです。

地球上に無数に存在する水素同位体を原料とし、原子力発電のように高レベル放射性廃棄物を発生させないため、資源枯渇の心配がありません。 1kgの水素は、8トンの石炭に相当するエネルギーを生成します。原子力発電の7倍の効率です。少量の資源でクリーンに使え、枯渇の心配がないので「夢のエネルギー」と言っても過言ではありません。カーボンニュートラルへの要求が高まる気候危機時代に最適な開発手法です。

太陽の真似ができればいいのに。地球上の太陽の暖かい内部をどのように再現できるでしょうか? 多くの技術的課題が残っていますが、科学界は徐々に核融合エネルギーを現実のものにしています。

プラズマを加熱して閉じ込める

最も研究されているのは「トカマク」法です。「磁気コイル付きトロイダルチャンバー」のロシア語表現の略語。トカマクは巨大で中空のドーナツ型の装置です。これに重水素とトリチウムを入れてプラズマを作り、外から中性粒子ビームを発射して温度を1億度まで上げます。このような高温に耐える材料はありません。加熱されたプラズマは、デバイスの内壁に触れないようにしてください。これを行うには、ドーナツ型の構造を作成し、その内部に磁場を掛けて、プラズマイオンが逃げるのを防ぎます。ドーナツ型のチューブに浮かぶプラズマのようなものです。

ドーナツの穴に超電導マグネットを通すことで、磁場を発生させます。超電導磁石は絶対零度に近い温度で動作します。近くには1億度の高温の装置や、絶対温度に近い液体ヘリウム冷却装置があります。

核融合の過程で高エネルギーの中性子が発生し、この中性子が外壁のブランケットと呼ばれる部分に入り、内部を流れる冷却水を加熱します。その後、加熱された冷却水が熱交換器で水蒸気を発生させて発電機タービンを回転させる過程は、他の発電方式と同じです。

核融合プロセスを安定して進行させるためには、プラズマの温度を上げ、プラズマが内壁に触れないように取り扱うことが不可欠です。特に、プラズマの自由運動状態を安定に維持することは非常に困難である。

韓国核融合エネルギー研究院が運営する「超電導核融合研究施設」(KSTAR)の真空チャンバーの内部。 [사진 한국핵융합에너지연구원]

韓国で燃えるスター、KSTAR

韓国は、このようなプラズマベースの核融合研究の最前線にいます。韓国超伝導トカマク先端研究 (KSTAR) は、大田の韓国核融合エネルギー研究所に設置されています。 1億度を超える超高温プラズマを作り出し、強力な磁場で閉じ込める自己完結型の核融合装置です。直径10m、高さ10mで、付属施設を含めるとサッカー場の約1/4の大きさです。

2008年に本格運用を開始し、2018年にはイオン温度1億度でのプラズマ運転に成功、2021年には30秒で1億度の保持記録を達成。核融合では世界記録です。目標は2026年までに300秒の走行を達成すること。これにより、プラズマを1日24時間正常に稼働させる技術がほぼ確保されたことになると説明されています。

KSRARの研究成果は、核融合研究の国際プロジェクトである国際実験用核融合炉（ITER）の建設にも重要なデータとして活用されています。韓毛、米国、欧州、日本など7カ国が参加しており、エネルギー投入量の10倍の出力を生み出す装置を2035年までにフランスで完成させることを目標としている。

最近発表された韓国の実証炉計画は、2035年のITER完成を見据えた方針であり、ITERが想定の10倍以上のエネルギー入出力を確認できれば、実証炉建設の準備が整う. ITER に参加している主要国では、核融合発電所の実証装置の開発がすでに始まっています。次世代エネルギーへのパラダイムシフトに置き去りにされてはならないという緊張感が各国を取り巻いており、それは私たちも同じです。

2035 年に技術的な検証が達成されれば、2050 年までに商業用核融合発電が達成されると予測されています。これは、実験室での大きな成功から 15 年後に原子力発電が商用発電を開始したのと同様のタイムラインです。

国際実験核実験炉（ITER）は、韓国、米国、欧州連合（EU）、ロシア、中国、日本、インドなど7カ国がフランスで建設中の施設です。写真はITER建設現場の全景です。 [사진 한국핵융합에너지연구원]

それは危険ではないでしょうか？

また、核融合エネルギーを発生させるためのさまざまな試みが進行中です。アメリカのリバモア研究センターでは、トカマク法ではなく、レーザーを燃料に当てて温度を上げて核融合を起こす方法を研究しています。昨年末には史上初、投入量以上のエネルギーを得るという結果を達成しました。 Googleとシェブロンは核融合エネルギーのスタートアップであるTAE Technologiesに12億ドルを投資しており、MITの研究者が率いるCommonwealth Fusion Systemsは、比較的高温で動作する超電導磁石を利用した技術として注目を集めています。

ここまで読んだあなたはきっと疑問に思ったことでしょう。内部温度が1億度を超えるデバイスに問題が発生し、高温のプラズマが内部の壁に触れた場合、大惨事につながるのでしょうか? これが起こると、大気圧が突入し、溶融プロセスが即座に停止します。これは、事故の際の対処が難しい原子力発電とは異なります。しかし、核融合施設は損傷を受けて稼働不能になっていると言われています。