安全でクリーン、そして無限に近い電力を供給できる可能性を秘めているのが核融合エネルギーです。 鉄以下の軽い原子核でも核融合反応は起こりますが、ほとんどの元素は星の内部でなければ核融合しません。 トカマクやステラレーターなどの実験用核融合炉で燃焼プラズマを作り出すためには、製造、貯蔵、核融合への持ち込みが比較的容易な燃料が求められる。 現在、核融合炉の燃料として最も適しているのは重水素-三重水素燃料である。
重水素とトリチウムは、宇宙で最も豊富な元素である水素の同位体です。 水素の同位体はすべて陽子を1個持っていますが、重水素は中性子を1個、三重水素は中性子を2個持っているため、イオン質量は中性子を持たない水素の同位体であるプロチウムよりも重くなります。 重水素とトリチウムが核融合すると、陽子2個と中性子2個を持つヘリウム原子核が生成される。 この反応により、エネルギーを持った中性子が放出される。 核融合発電所は、核融合反応から放出されるエネルギーを電気に変え、私たちの家庭や会社などに供給します。 海水に含まれる水素5,000個のうち、約1個が重水素です。 つまり、海には何トンもの重水素が含まれているのです。
トリチウムは放射性同位元素で、比較的早く減衰し（半減期は12年）、自然界にはほとんど存在しません。 幸いなことに、より豊富な元素であるリチウムを核融合炉で高エネルギーの中性子にさらすことで、トリチウムを生成することができます。 また、リチウムは地殻から鉱石を採掘したり、塩砂漠から採取したりすることができるため、実用化された核融合発電所では、重水素-三重水素燃料サイクルを閉じるために必要なトリチウムの生成にリチウムを使用できる可能性がある。
DOE Office of Science: 重水素-トリチウム燃料への貢献
The Department of Energy Office of Science, Fusion Energy Sciences (FES) プログラムの使命の一部は、実用的な核融合エネルギー源を開発することです。 FESはAdvanced Scientific Computing Researchプログラムと連携し、核融合科学を発展させ、様々なプラズマ現象に対するイオン質量の影響を理解するために科学技術計算を利用しています。 Office of Scienceのユーザー施設であるDIII-DトカマクやNSTX-U球形トカマクでは、科学者たちがプラズマの閉じ込め、輸送、乱流に対するイオン質量の影響を研究しています。 また、ヘリウムイオンのような核融合生成物の閉じ込めについても、らせん状の磁場の存在下で研究されています。 Office of Scienceの核物理プログラムでは、核反応データベースの作成、核同位体の生成、核合成の解明など、核融合の理解を支える基礎的な核科学の開発を行っています。
重水素・トリチウム燃料の概要
- 重水素から作られた水は、普通の水よりも約10%重い。 そのため、「重水」と呼ばれることもあります。 重水は、普通の水を入れたコップの底に沈みます。
- 地球上でのトリチウムの発生源は、宇宙線との相互作用による自然発生、重水CANDU炉などのエネルギーを発生させる核分裂炉、核兵器実験などである。
- 高エネルギー中性子による構造材料の損傷など、ある種のR&Dの課題を回避するために、核融合科学者は、重水素やトリチウムよりも高いイオン温度で発生するにもかかわらず、重水素-ヘリウム3や陽子-ボロン核融合などの非中性子核融合反応にも関心を持っています。
資料・関連用語集
- 核融合エネルギーはどのように機能するのか
- 米国DOE Office of Science Fusion Energy Sciences program
- Science Up-Close: 効率的な核融合エネルギーのためのクックブックを開発する
- Fusion Research Ignites Innovation
謝辞
Matthew Lanctot (U.S. DOE Office of Science)