Wendelstein 7-X、8分間のプラズマで1.3ギガジュールのエネルギー変換を達成
(ipp.mpg.de)- グライフスヴァルトの核融合実験装置 Wendelstein 7-X が、2022年秋の再稼働後、2023年の目標だった1ギガジュールを超える 1.3ギガジュール のエネルギー変換を達成
- 今回の値は2023年2月15日に記録され、改修前の最高値 75メガジュール の17倍にあたり、装置完成作業の効果を示した
- エネルギー変換は、プラズマに結合された 加熱出力 と放電持続時間の積であり、今回の実験では平均2.7メガワットで 480秒 間プラズマを維持
- 3年間の完成作業により、壁要素に 水冷システム が追加され、加熱システムもアップグレードされて、以前より2倍多い電力をプラズマに結合できるようになった
- 次の目標は、数年以内に 18ギガジュール まで引き上げ、プラズマを30分間安定的に維持すること
1.3ギガジュールと8分間放電の記録
- Wendelstein 7-X は、2023年の目標だった 1ギガジュールのエネルギー変換 を超え、1.3ギガジュールに到達
- 2023年2月15日の実験で、改修前の最高記録 75メガジュール より17倍高い値を記録
- エネルギー変換は、プラズマに結合された 加熱出力 に放電持続時間を掛けて計算される
- 発電所の運転には、大量のエネルギーを長時間プラズマに結合しつつ、同時に発生した熱を除去できなければならない
水冷壁と加熱システムのアップグレード
- Wendelstein 7-X は、2022年夏まで続いた 3年間の完成作業 を経た
- 主な変更点は、壁要素の 水冷化 と加熱システムのアップグレード
- アップグレードされた加熱システムは、以前より 2倍多い電力 をプラズマに結合できる
- 装置完成後、Wendelstein 7-X はより広い パラメータ範囲 で運転可能になった
- IPP の Thomas Klinger は、より高いエネルギー値を目指しつつも、装置に過負荷をかけたり損傷させたりしないよう段階的に進める必要があると述べた
熱除去を担うダイバータ構造
- Wendelstein 7-X は、最大の熱流を除去するため、特に耐熱性の高い ダイバータバッフル板 を使用
- このバッフル板は内壁の一部であり、装置完成後は 6.8km長の水配管システム で冷却される
- 現在、世界の他の核融合装置の中で、Wendelstein 7-X のように内壁全体が包括的に冷却される施設はない
- 赤外線画像はプラズマ自体ではなく、水冷式ダイバータバッフルの 温度分布 を示す
- プラズマがダイバータに触れる中心部の線は strike line として現れる
- 一部の領域は最大 摂氏600度 に達する
- ダイバータタイルは最大 摂氏1200度 に耐えられる
480秒放電を実現した加熱条件
- Wendelstein 7-X のプラズマ加熱は3つの構成要素から成る
- 新たに設置された イオン加熱
- 中性粒子入射による加熱
- 電子マイクロ波加熱
- 今回の記録では 電子マイクロ波加熱システム が特に重要だった
- このシステムは数分間にわたり大電力を供給できる
- 1.3ギガジュールのエネルギー変換は、平均 2.7メガワット の加熱出力で達成された
- プラズマ放電は 480秒、つまり8分間持続した
- Wendelstein 7-X の新たな放電時間記録
- 世界的に見ても優れた値の一つ
- 完成作業前の Wendelstein 7-X の最大プラズマ時間は、はるかに低い加熱出力で 100秒 だった
18ギガジュール目標とステラレーター研究
- Wendelstein 7-X は、数年以内にエネルギー変換を 18ギガジュール まで高めることを目標としている
- この目標では、プラズマを 30分 間安定的に維持しなければならない
- 核融合研究は、気候と環境に優しい発電所の開発を目指し、太陽のように原子核の 融合 によってエネルギーを生み出す方式を追求している
- Max Planck Institute for Plasma Physics は 磁場核融合 の道筋を研究している
- 核融合反応は 摂氏1億度以上 でなければ点火しない
- 薄い水素プラズマ燃料は冷たい容器壁と接触してはならない
- 磁場に閉じ込められたプラズマは、真空チャンバー内部でほとんど接触せずに浮いている
- Wendelstein 7-X の磁場ケージは 50個の超伝導磁気コイル の輪で構成される
- この装置は ステラレーター(stellarator) 型の施設であり、コイルの特殊な形状は精密な最適化計算の結果
- このコイルにより、ステラレーターのプラズマ閉じ込め性能が競合方式である トカマク(tokamak) 型施設の水準に到達することを目指している
1件のコメント
Hacker Newsの意見
ああ、Wendelsteinってあのステラレーター核融合炉だったのか。ステラレーターは本当に見事な設計で、トカマクの代替案だ。
トカマクはドーナツ形の原子炉だが、外周側のプラズマが磁気的に閉じ込められにくいという問題がある。ステラレーターも似ているが、プラズマをリボンのように閉じ込め、メビウスの帯のような配置に折り上げる方式だ。
以前はこの分野にかなり関心があったのだが、数年たつうちに忘れていた。実際に動いていると聞くとうれしい。
https://en.wikipedia.org/wiki/Stellarator
ラジアンを十分に理解して、円と波形を本当に理解できるようになった瞬間を今でも覚えている。何年もの間、自分が何をしているのかも分からないまま問題だけ解いていたのに、ある瞬間に理解できると、頭の中で何かが切り替わったような感じがした。
メビウス的に考えたいのだが、今の自分の脳は「お断りします」に近い。
さらに興味深いのは、熱核反応炉として可能な最も単純な設計であるフューザーが、ステラレーターやトカマクより後に発明されたらしい点だ。電気工学に長け、適切な民生用機器を使えるなら、比較的簡単に作れるほど単純だ。
ただ、個人的にはステラレーターの設計はあまり好きではなかった。その複雑さ自体が、どこか間違った方向へさらに押し進めているように微妙に感じられる。
それでもこういうケースなら、自分が間違っていたと証明されることを心から望む。この分野には、もうずっと前から大きなブレークスルーが必要だった。
ステラレーターは理論上、トカマクより優れた設計で、JxB力を打ち消すように考案されている。ここでJはプラズマを流れる電流、Bは装置内でプラズマを導く磁場だ。
Bの回転、つまりJに比例する値がBと平行になるような螺旋形にプラズマをねじると、外積が0になり、したがってプラズマには正味の磁気流体力学的な力が作用しなくなる。
公差があまりにも厳しく、制約条件内に収めるのに何度も失敗したためだ。
ここで言うenergy turnoverが何を意味するのか気になった。
調べてみると「Energy turnover is defined as the amount of heat multiplied by the duration of the discharge[1].」とある。ここでの「amount of heat」は、おそらく「プラズマに与えられた加熱出力」を意味しているのだと思う。時間を掛けてジュール単位にするには、最初の値は出力でなければならないからだ。
1: https://gigazine.net/gsc_news/en/20230227-wendelstein-7-x-en...
数値としては、「平均2.7メガワットの加熱出力で480秒間放電を維持し、1.3ギガジュールのenergy turnoverを達成した」という内容だ。
また、「数年以内にWendelstein 7-Xのenergy turnoverを18ギガジュールに引き上げ、プラズマを30分間安定して維持する計画」ともある。つまり10メガワットを30分間維持する計算だ。
当然の疑問かもしれないが、それでも聞きたい。ここで作られた電力は、どうやって利用可能な電気に変換されるのか？
一般的な核分裂炉では、核分裂の熱で蒸気タービンを回すことは知っている。だがプラズマは極度に高温で、格納容器の壁に触れないよう磁場で浮かせておく必要があるなら、その熱をどうやって別の媒体に伝えて発電できるのか？
反応エネルギーの大部分は高エネルギー中性子が持っていく。したがってエネルギーを回収するには、その中性子を「捕獲」しなければならない。中性子は電荷を持たないので直接電気を作ることはできず、結局は熱として利用するしかない
問題は、電気的に中性であるため、捕まえるのも比較的難しい点だ。原子核と衝突する確率が高い、密度の高い物質が必要になる。提案されている設計では通常、原子炉の周囲を循環する液体金属ブランケットを置き、それを水を沸かす場所へ送って蒸気を作り、タービンを回す方式になる
最もよく挙げられる金属はリチウムで、中性子を受けるとトリチウムを作れるという利点もある。トリチウムは反応燃料の非常に希少な半分にあたる
ドイツ語が分かる人には、Alternativlosポッドキャストの司会者たちが現地を2回訪問し、研究者たちと長時間話した回を勧めたい。オタク同士が話している感じで、言語が分かるなら本当に面白い
https://alternativlos.org/36/（2016年）
[https://alternativlos.org/51/](https://alternativlos.org/51/）（最新、2023年5月）
この装置は特にそのようには構成されておらず、私の知る限り、まだそうした装置は存在しない。工学的には比較的単純な問題で、核融合を数か月単位で維持できるようになるまでは、わざわざ作る必要性も大きくない
ただしHelion Energyが開発中の方式は、この一連の過程を必要としない有望な核融合概念の一つだ。まだ正味出力は作れていないが、アイデアには可能性があり、他の核融合発電方式でよくある問題を避けている。これがこの分野の究極の答えだとは思わないが、大型ステラレーターと核分裂の間をつなぐ過渡的な役割を果たす可能性はかなりありそうだ
ただし私の知る限り、Wendelstein装置は発電用に構成されたものではないので、現在の冷却は文字どおり冷却にとどまっている
このチームは本当にいい。核融合の流れを完全に特性評価し、制御しようという計画の中で、工学上の難題を一つずつ突破している
稼働する核融合発電所への競争では、ときどき亀のように見えるが、壁温管理や流れの中で核融合を維持すること[1]のように、トカマク側がまだ解けていない問いに答えている。ただし私の偏りは研究開発のうち「D」の方にずっと近いので、ITERを追っていると純粋な「R」のように感じることが多い
[1] https://www.iter.org/of-interest/1188
核融合の話が出たついでに、Commonwealth Fusion SystemsのSPARCがどうなっているか知っている人はいる？
彼らのシステムには大いに期待していたが、20億ドルの投資を受けた後、深い開発・建設サイクルに入ったのは理解できる。だからこの1年、ニュースページには事業契約と受賞のアップデートしか載っていない。原子炉建設がどう進んでいるのか聞きたい
基本的に非常に忙しいが、それでも少なくともあと3〜5年以上はかかりそうだ
このプロジェクトを10年見守ってきて、成功だったと思っている。だが、こういうプロジェクトはどうすればもっと速く進められるのだろう？
Wendelstein 7-Xは利用可能な電気を生産するものではなく、発電用原子炉の前段階として作られた装置だ
コイルは非常に不規則な形状で公差も厳しいため作るのが難しく、真空容器の組み立ては、コイルがトカマクよりもはるかに多くの「トーラス状」の表面領域を覆うため難しい
今、ステラレーター設計最適化の分野では興味深い取り組みが多く進んでいるが、その研究が実際の原子炉として実装されるまでには、おそらく長い時間がかかるだろう
この分野にはもっと多くの資金が入るべきだが、どこかの時点では結局作らなければならず、それ自体に途方もない時間がかかる。規制や官僚主義は改善できるだろうが、最終的に安全に削れる時間は多くない
動作モデルができれば反復ははるかに速くなるが、私たちは何十年も壁にぶつかってきたようなものだ
しかし残念ながら、作る価値のある機械、つまり発電機に関係する規模の装置は小さくない。練習は役に立つ
ドイツ語が分かる人向けの関連おすすめがある。
Felix Von Leitner と Frank Rieger のポッドキャスト Alternativlos は Greifswald を2回訪れ、Wendelstein 関係者にインタビューしている。最初のエピソード（http://alternativlos.org/36、2016年）は主に開発・建設の過程と歴史に焦点を当て、2回目は今年の回で、成果と核融合の未来を扱っている（[http://alternativlos.org/51/](http://alternativlos.org/51/））
この分野に詳しい人に聞きたい。どの 核融合スタートアップ が有望に見えるだろうか？ 慣性閉じ込め方式はどう見える？ 新たに資金調達した Blue Laser Fusion はどうか？ 古参プレイヤーの TAE は？ Commonwealth、Helion、そのほかの企業は？
https://www.neimagazine.com/news/newszap-energy-considers-re...
それに彼らのコンセプト自体があまりに奇妙で、そこが気に入っている。最悪の場合でも、宇宙で核融合推進機としては動作しそうだ :)
私の推測では、政府資金なしでは大半が失敗する可能性が高い。最初の試みで、現在の高度に最適化された発電ソリューションに勝てる特別な低コスト運用方式を本当に見つけ出すという奇跡でもない限り、ということだ。
全体としては Tokamak Energy も有望に見えるので、投資するつもりだ。
第一に、より伝統的な核融合発電所が、プラズマ自体をそれほど高価ではない装置で作れるとしても、それ自体が大きな仮定だが、熱交換メカニズムそのものが非常に複雑で高価になりそうだ。そして熱機関の発電所であるため、設置可能な場所や経済的な規模にも制約が生じる。
第二に、CO2 排出が減れば、熱機関の発電所が地球温暖化に寄与する部分にも関心が向くようになると思う。Helion も元々なかった熱を地球に加えることにはなるが、同じ電気エネルギーあたりに発生する熱はより少ないはずだ。その熱をすべて川に捨てる方式にも依存しない。
Helion が実現可能かは分からないが、実現し得る唯一の技術のように感じる。
同程度の容量の核分裂発電所より核融合発電所を建てる費用の方がはるかに高くなるはずだが、核分裂でさえすでに競争力がなく、日を追うごとにさらに後れを取っている。核融合しない、安定的に閉じ込められたプラズマの用途を真剣に考えるべきだ。利点は、必ずしも特別に高温である必要がないことだ。今あるものだけでも、もっともらしい何らかの用途には十分に熱い。
「Wendelstein 7-X の放電時間の新記録：高温プラズマを 8分 間維持できた」というのは、確かにマイルストーンだ。
ただし、現在テストされているのは加熱システムである点に注意すべきだ。実際の 核融合反応 が起きたという意味ではない。