3Dプリントで民間企業の参入障壁が下がり、核融合発電が活発化

太陽の核融合は、私たちが地球上で生きていくことを可能にする太陽光を提供します。しかし、同じプロセスを通じて無尽蔵のクリーンエネルギーを得るのは容易ではないことが判明しました。しかし、70年以上の研究を経て、最近では核融合研究分野に民間企業が参入するようになり、核融合の時代がもうすぐ到来しそうだ。 3Dプリントなどのラピッドプロトタイピング技術により、民間企業の参入障壁が下がり、小型でコンパクトな核融合炉を建設できるようになりました。

核融合の長い旅路<br /> 1950 年代、世界中の研究者が星の内部をシミュレートする機器の開発に取り組みました。しかし、水素原子がヘリウム原子核に凝集してエネルギーを放出するプロセスは非常に困難です。反応を開始するだけでも、1億5000万度という膨大な圧力と温度が必要になります。

旧ソ連や米国などの国々は長年にわたり、磁気閉じ込めを利用してプラズマを装置内に閉じ込める「ドーナツ」型の磁石であるトカマクと呼ばれる装置に焦点を当て、独自の装置の完成に向け競争してきた。

しかし、1985年までに、EURATOM、日本、米国、旧ソ連の間で前例のない協力、国際熱核融合実験炉 (ITER) プロジェクトが合意されました。
30年以上経った今も、このコラボレーションは続いています。現在、欧州連合、中国、インド、日本、韓国、ロシア、米国などの国々がこのプロジェクトに参加しています。 ITERは南フランスにトカマク装置を建設する計画だ。このプロジェクトはすでに10年以上遅れており、コストも高騰している。

イオッフェ氏：トランプ氏の米国大統領選出はドイツに反省を促しており、興味深い問題の一つは核兵器だ。実際、ドイツは自ら核兵器の選択肢を放棄した。しかし、プロジェクトはある程度の進歩を遂げました。 1997年、オックスフォードシャーのカルハム核融合エネルギー研究センターで実施された欧州共同トーラス実験（JET）で、科学者たちは地元で建造されたトカマク装置を使用して16,000キロワットの核融合エネルギーを出力しました。反応を起こすには2万5000キロワットの入力電力が必要なため、この実験は成功とはみなされなかったが、目標に向けた大きな一歩となった。

アプライド・フュージョン・システムズはロンドンに拠点を置き、核融合炉の建設を専門とする民間企業です。同社の最高経営責任者で共同創設者のリチャード・ディナン氏は、「この偉大な成果の後、次のITERプロジェクトの場所を決めるのに7つの政府が10年もかかった。10年もの政治的な時間が無駄になった」と語った。

民間企業も利益を得ることができるのか？
こうした遅い進歩に直面して、民間企業は現在、この課題に取り組み始めている。英国原子力庁のイアン・チャップマン局長は、「核融合研究への民間部門の関与の増加は、この市場のリスクとリターンの潜在性が非常に大きいことを反映している。核融合は資源が豊富で、環境に優しく、安全な新しい発電方法だ」と語った。

したがって、世界中の企業がこの分野の競争に参入しているのも不思議ではありません。 2011年、アマゾンのCEOジェフ・ベゾスは、世界初の核融合発電所の建設を目指していたカナダの新興企業ゼネラル・フュージョンに資金援助を行った。同社は5月にマイクロソフトと提携し、同社の計算能力を活用してジェネラル・フュージョンが得た大量の実験結果を分析した。ビッグデータ分析は、民間企業が核融合研究に参入する理由の一つです。

今年7月、Googleは核融合研究への関心を発表した。この検索エンジン大手は、マイクロソフトの共同創業者ポール・アレン氏が支援する民間企業トライアルファ・エナジーと協力し、プラズマ実験を高速化できる一連のコンピューターアルゴリズムを開発している。

米国の航空宇宙企業ロッキード・マーティンのスカンクワークス計画も2014年に、従来の概念炉の10分の1の大きさとなる小型核融合炉（CFR）を開発中であると発表した。

カリフォルニア州サンディエゴに本社を置くゼネラル・アトミックス社は、核物理学の研究に特化した防衛装備品プロバイダーです。同社は中国核融合工学試験炉（CFETR）プロジェクトに関与していると言われている。このプロジェクトは世界初の核融合発電所となることが期待されている。

技術の進歩により、民間企業の参入障壁も低下しました。 3D プリントなどのラピッドプロトタイピング技術により、Applied Fusion Systems などの企業は小型でコンパクトな核融合炉を構築し、より迅速に設計を繰り返すことができるようになりました。

チャップマン教授は、核融合は依然として世界的な課題であり、ITERプロジェクトに参加している国々は依然として先頭に立っていると述べた。「EUは世界最大の施設であるJETを所有しており、最も強力かつ最も調整された核融合研究プログラムを有し、今世紀半ばまでに発電を実現するための詳細なロードマップを持っています。」

しかし、中国は今日でも多くの記録を保持しています。今年7月、中国科学院が実施している先進的超伝導トカマク実験（EAST）は、電子温度5000万度ケルビン、持続時間101秒の定常長パルス高閉じ込めプラズマ運転を達成し、世界新記録を樹立した。民間企業が先頭に立つためには、その目標をより速いペースで達成できるかどうかにかかっています。もちろん、激しい競争も彼らをこの方向へ向かわせる刺激となるでしょう。

激化する市場競争<br /> 2009年に設立されたオックスフォードシャーに本拠を置くトカマク・エナジーは、世界有数の民間核融合エネルギー企業の一つです。今年4月、同社の最新鋭トカマク装置ST40が初のプラズマを生成した。

同社の最高経営責任者、デビッド・キングハム博士は「今年末までにプラズマ温度1500万度、2018年までに1億度、そして2019年には核融合エネルギー増加条件に近づくことを目指している」と語った。

「当社は2025年までにパイロットプラントで最初の発電を、2030年までに送電網接続を達成する計画であり、投資が急速に増加すればこの計画は加速される可能性がある。」
アプライド・フュージョン・システムズは、2022年までに2基の小型円形トカマクを建設する計画だ。「1つは発電機で、もう1つは試作品となる」と同社のCEO、ディナン氏は語った。

核融合研究の分野における公的資金によるプロジェクトには、主に 2 つのカテゴリがあります。1 つは、JET や ITER などの磁気核融合装置です。強力な磁場を利用して核融合によって発生した熱エネルギーを閉じ込めます。この種の研究には有望な装置がいくつか含まれており、そのうちの 1 つがトカマクです。

2 番目のタイプの研究方法は「慣性核融合」と呼ばれ、強力なレーザーまたは X 線源を使用して小さな燃料粒子を爆発させます。「両方の道が積極的に模索されており、両方のアプローチが商業化できない理由はない」とチャップマン氏は語った。

核融合発電所の小型化の動向<br /> 数十年にわたる研究を経て、トカマクが「勝者」として浮上しましたが、克服すべき技術的な課題はまだいくつか残っています。「現在のトカマクの設計と技術では、比較的大規模な核融合発電所のみが経済的に実行可能であるが、いわゆる球形トカマクの設計は将来の発電所のサイズとコストを削減する可能性を秘めている」とチャップマン氏は述べた。

しかし、大きいほどパフォーマンスが向上するということに誰もが同意するわけではありません。テクノロジーの進歩により、望む結果を得るために大規模な施設を建設する必要がなくなりました。「1997年に科学者にトカマクが確実に機能するにはどうしたらよいかと尋ねたら、彼らはトカマクは大きくなければならないと答えたでしょう」とディナン氏は言う。「それ以来、スーパーコンピューターのコストは急落し、小型で効率的な原子炉技術の鍵はプラズマの特性を完全に理解することだということが分かりました。」

核融合の将来の発展に関して言えば、より小型の装置の利点の一つは、動作が速くなることである。「ITERのような大規模プロジェクトは国際協力や科学研究には最適だが、こうした大規模プロジェクトの進展は遅い」とキングハム氏は語った。「核融合エネルギーは将来、より小型化されるでしょう。トラックほど小さくはならないかもしれませんが、ITERの30分の1の大きさになるでしょう。」

将来の核融合炉は、さまざまなサイズと形状のものになると思われます。トカマク・エナジー社は、プリンストン大学チームが設計した球状トカマクの利点とMITの高温超伝導磁石を組み合わせたトカマクのバリエーションの開発に取り組んでいる。しかし、これが開発の唯一の方向ではありません。「将来、勝者が1人だけになることは絶対にないだろう」とキングハム氏は語った。

いくつかの原子炉ははるかに小さいです。「アプライド・フュージョン・システムズで建設中の原子炉2基は、主半径が1.1メートルで、コストはそれぞれ4,000万ポンド（5,200万ドル）です」とディナン氏は言う。「これは120億ポンド（150億ドル）の巨大プロジェクトであるITERとは対照的だ。」

形や大きさがどうであろうと、人類はまだ核融合の夢を諦めるつもりはない。この目標は魅力的すぎる。核融合エネルギーがあれば、人がシャワーで使う水の量で1年分のエネルギーを供給できる可能性がある。

「核融合エネルギーが商業化されれば、電力市場に変革をもたらすだろう」とチャップマン氏は語った。「公的資金と民間資金による研究プロジェクトの両方が、この技術の可能性を認識しており、さらに調査する価値がある」

出典: FT中国語ウェブサイト詳しい情報: ピッツバーグ大学が3Dプリント原子炉センサーの開発に100万ドルの資金提供を受ける

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