MITジェネシス核融合が世界記録を更新！高温超伝導磁石が恒星のエネルギーを解放、人工太陽が誕生するのか？

クリーンエネルギーの聖杯は征服されたのか？

「MITチームは、一夜にして核融合炉のワット当たりコストをほぼ40分の1に削減し、核融合技術の商業利用を可能にしました。」

最近、MIT のプラズマ科学および核融合センターと Commonwealth Fusion Systems (CFS) が包括的なレポートを発表しました。

この報告書は、IEEE Transactions on Applied Superconductivity の 3 月特別号に掲載された 6 つの独立した研究論文を引用し、次のことを証明しています。

MITが2021年の実験で使用した「高温超伝導磁石」と非絶縁設計は完全に実現可能で信頼性があります。

また、実験チームが使用した独自の超伝導磁石は、核融合発電所の基礎として十分であることも実証された。

これは、「核融合」が実験室での科学研究プロジェクトから商業的に実現可能な技術になりつつあることを示しています。

論文の宛先:

https://ieeexplore.ieee.org/xpl/tocresult.jsp?isnumber=10348035&punumber=77

そしてすべては、2021年にMITが世界記録を破った核融合実験から始まった。

超伝導磁石が磁場強度の世界記録を樹立

2021年9月5日の早朝、MITプラズマ科学核融合センター（PSFC）研究所のエンジニアたちは大きなマイルストーンを達成しました。

「高温超伝導材料」で作られた新型磁石が、大規模磁場強度20テスラの世界記録を達成した。

ご存知のとおり、20テスラはまさに核融合発電所を建設するために必要な磁場の強さです。

科学者たちは、この技術は純電力出力を生み出す可能性があり、ほぼ無制限の発電の時代を導く可能性があると予測している。

テストは成功し、磁石が重要な実現技術となる SPARC と呼ばれる新しい核融合装置の設計に設定されたすべての基準を満たしました。

疲れ果てたエンジニアたちは、誇らしい成果を祝うためにシャンパンを開けた。彼らはこれを達成するために長く困難な努力をしました。

しかし、科学者たちはそこで止まりませんでした。

その後数か月にわたり、研究チームは磁石の部品を分解して検査し、テストの詳細を記録した数百の機器からのデータに徹底的に目を通し、分析した。

彼らは同じ磁石に対してさらに 2 つのテストを実行し、最終的に磁石を限界まで押し上げて、起こり得る故障モードの詳細を調べました。

目的は、実験中の超伝導磁石がさまざまな極端なシナリオ下で安定して動作できるかどうかをさらに検証することです。

チームがクライオスタット容器に磁石を配置する

核融合発電、コスト40分の1に

「磁石の試験が成功したことは、私の意見では、過去30年間の核融合研究で起こった最も重要な出来事です」と、最近PSFCの所長を退任した日立アメリカの工学教授、デニス・ホワイト氏は語った。

実験結果が示すように、既存の超伝導磁石は核融合エネルギーを可能にするのに十分なほど強力です。

唯一の欠点は、サイズとコストが非常に大きいため、実用的でも経済的にも実現不可能であることです。

研究者らによるその後のテストでは、このような強力な磁石は、はるかに小さなサイズに縮小しても依然として実用的であることが示された。

「一夜にして、核融合炉のワット当たりのコストは1日で40分の1近くまで下がりました。」

今、核融合にチャンスがある。 「トカマク」は最も広く使用されている核融合実験装置の設計です。

「私の意見では、トカマクは手頃な価格になる可能性がある。なぜなら、物理学上の既知の制約の範囲内で、核融合を達成するために必要な装置のサイズとコストを大幅に削減できるからだ。これは質的な飛躍だ。」

6 つの論文には、MIT の磁石テストから得られた包括的なデータが詳述されています。

分析の結果、MITとCFSが設計した新世代の核融合装置、および他の商業核融合企業による同様の設計は、科学的に完全に実現可能であることが示されました。

これは核融合だけでなく、超伝導の画期的な進歩でもある。

軽い原子が結合して重い原子を形成するプロセスである核融合は、太陽や恒星にエネルギーを与えます。

しかし、地球上でこのプロセスを利用することは困難な課題であることが判明しました。

過去数十年にわたり、実験装置の研究には多大な努力と数十億ドルが費やされてきました。

多くの人が求めているが、まだ達成されていない目標は、消費するエネルギーよりも多くのエネルギーを生み出す核融合発電所を建設することだ。

このような発電所は稼働中、温室効果ガスを排出したり、大量の放射性廃棄物を生成したりすることなく電気を生成することができます。

核融合の燃料は海水から抽出された水素で、その量はほぼ無限です。

しかし、核融合が成功するためには、燃料を極めて高い温度と圧力で圧縮する必要があります。

現在知られている物質はそのような温度に耐えられないため、燃料を閉じ込めるために極めて強力な磁場を使用する必要があります。

このような強力な磁場を発生させるには「超伝導磁石」が必要ですが、これまでの核融合磁石はすべて超伝導材料で作られており、絶対零度より約4度高い（4ケルビン、つまり摂氏-270度）低温を必要とします。

近年、REBCO（希土類バリウム銅酸化物）と呼ばれる新素材が核融合磁石に使用され始めています。

これにより、核融合磁石は 20 ケルビンの温度で動作できるようになります。これは 4 ケルビンより 16 ケルビン高いだけですが、材料特性と実用的なエンジニアリングの面で大きな利点があります。

新しい高温超伝導材料は、超伝導磁石の製造に使用されるほぼすべての原理を再設計したものです。

この新しい高温超伝導材料を超伝導磁石の製造に使用する場合、これまでの研究に基づいた改良だけでなく、ゼロからの革新と開発が必要になります。

この再設計プロセスの詳細は、ジャーナル「Transactions on Applied Superconductivity」の新しい論文に記載されており、特許保護はすでに実施されています。

REBCO を最大限に活用するために、研究者らは TSTC アーキテクチャに基づいて、産業的に拡張可能な高電流の「VIPER REBCO」ケーブルを再設計しました。

VIPER REBCO ケーブルには、いくつかの明らかな利点があります。

- 安定した電流劣化が 5% 未満です。

- 2～5nΩの範囲の堅牢な取り外し可能なジョイント付き。

- 初めて、REBCO の低法線領域伝播速度に適した核融合関連条件下で、実物大の導体に対して 2 つの異なるケーブル クエンチ テストを実行することができました。

主なイノベーション: 断熱層のない設計

この超伝導磁石のもう一つの驚くべき設計上の特徴は、磁石の薄くて平らな超伝導ストリップを囲む絶縁体が除去されていることです。

従来の設計では、超伝導磁石は短絡を防ぐために絶縁材で囲まれています。

この新しい超伝導磁石では、超伝導テープが完全に露出しています。

科学者たちは、電流が材料に正確に流れ続けるよう、REBCO のより強力な導電性に頼りました。

「2018年にこのプロジェクトを開始した当時、高温超伝導体を使った大規模な高磁場磁石を作る技術はまだ初期段階にあり、小規模な実験しかできなかった」と、超伝導磁石の開発責任者であるMITの原子力科学工学教授、ザック・ハートウィグ氏は語った。

「このスケールをベースに、当社の磁石研究開発プロジェクトでは、非常に短期間で本格的な磁石の開発を完了しました。」

チームは最終的に、20テスラを超える安定した均一な磁場を生成する、重さ約10トンの磁石を製作した。

「こうした磁石を作る標準的な方法は、巻線の周りに導体を巻き付け、巻線の間に絶縁材を入れるというものですが、シャットダウンなどの予期せぬ状況で発生する高電圧に対処するために絶縁材が必要です。」

「この絶縁層を取り除くことの利点は、低電圧システムであることです。これにより、製造プロセスと進捗が大幅に簡素化されます。」

これにより、冷却や追加の強度構造のための十分な余地も確保されます。

わずかに小さい磁石アセンブリは、CFS が構築している SPARC 核融合装置のドーナツ型の空洞を形成します。

この空洞は「パンケーキ」と呼ばれる 16 枚のプレートで構成されており、それぞれのプレートの片側には超伝導テープが螺旋状に巻かれ、反対側にはヘリウム冷却チャネルが備えられている。

「しかし、ほとんどの人は、絶縁層のない設計は非常に危険であり、テスト段階でも依然として大きなリスクがあると考えています。」

「これは、絶縁体もねじれもないこの技術を使った磁石の設計、製造、試験に関わる問題を調査するのに十分な規模を持つ初めての磁石だ」と教授は語った。

「チームがこれは絶縁材不要のコイルだと発表したとき、コミュニティ全体が非常に驚きました。」

極限テストが完了し、大規模な商用利用が近づいている？

以前の論文で説明された最初の実験では、一部の研究者の懐疑的な意見にもかかわらず、このような設計と製造プロセスは実現可能であるだけでなく、非常に安定していることが実証されました。

2021年後半に実施された次の2回のテストでは、入力電力を完全にシャットダウンするなど、意図的に不安定な状態を作り出して機器を限界まで追い込み、壊滅的な過熱を引き起こす可能性があった。

この状態は「クエンチング」と呼ばれ、このような磁石の動作にとって最悪のシナリオと考えられており、装置を完全に破壊する可能性があります。

ハートウィグ氏は、テストプログラムの一部は「実際に実物大の磁石を意図的に急冷し、適切な規模と条件下で重要なデータを取得して、科学を進歩させ、設計コードを検証すること」だと述べた。

「そして磁石を分解して、何が悪かったのか、なぜ悪かったのか、そしてそれを修正するために次の反復をどう行うかを検討しました… 結果的に、非常に成功した実験となりました。」

最終テストでは16枚の「パンケーキ」のうち1枚の角が溶けてしまったが、そこから多くの新たな情報が得られたとハートウィグ氏は語った。

まず、彼らは磁​​石の性能のさまざまな側面を設計し予測するためにいくつかの異なる計算モデルを使用してきましたが、ほとんどの場合、モデルの全体的な予測は一致しており、一連のテストと実際の測定によって十分に検証されています。

しかし、「消光」効果を予測する場合、モデルの予測結果に偏りがあったため、モデルの有効性を評価するには実験データを取得する必要がありました。

研究者らが開発したモデルは、磁石がどのように加熱されるか、急冷が始まるとどれくらい加熱されるか、そしてこれによって磁石にどの程度の損傷が生じるかをほぼ正確に予測します。

実験は、起こっている物理現象を正確に説明し、どのモデルが将来役立つか、どのモデルが不正確であるかを科学者に知らせます。

科学者たちは、コイルのさまざまな側面の性能をテストした後、コイルにとって最悪の状況も意図的にシミュレートしました。

コイルの損傷領域はコイル体積の数パーセントに過ぎないことが判明しました。

この結果に基づいて、研究者らは設計の改良を続け、実際の核融合装置の磁石にこれほどの損傷を与えることは、最も過酷な条件下でも防げると期待している。

ハートウィグ教授は、チームがこのような記録破りの新しい磁石設計を、しかも非常に迅速に完成させることができたのは、主にアルカテルC-Modトカマク、フランシスビット磁石研究所、およびPSFCで行われたその他の作業で行われた数十年にわたる作業を通じて蓄積された深い知識、専門技術、設備のおかげであると強調した。

今後はクリーン電力の大規模商用化に向けて実験が進められていく予定です。